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Instituto Tecnolgico De Tuxtla Gutirrez

PROCESOS DE SEPARACIN IIIUNIDAD IV ADSORCIN

En los procesos de adsorcin, uno o ms componentes de una corriente de gas o de lquido se adsorben en la superficie de un slido y se lleva a cabo una separacin. En los procesos comerciales, el adsorbente generalmente tiene la forma de partculas pequeas en un lecho fijo. El fluido se hace pasar por el lecho y las partculas slidas adsorben componentes del fluido.

Cuando el lecho est casi saturado, el flujo se detiene y el lecho se regenera trmicamente o por otros mtodos, de modo que ocurre una desercin. As se recupera el material adsorbido (adsorbato) y el adsorbente slido queda listo para otro ciclo de adsorcin.

La adsorcin es gobernada por una atraccin electro-qumica y no por un proceso mecnico. Aun as, se le considera como un tipo de filtracin muy fina. Las fuerzas moleculares en la superficie del adsorbente estn en un estado de instauracin.

Segn la naturaleza del enlace de adsorcin, esta puede ser fsica, en la cual las molculas estn unidas a la superficie por fuerzas fsicas o de dispersin, o qumica, en la que las fuerzas de adsorcin son de naturaleza qumica, y por lo tanto conocida como quimisorcion.Entre las aplicaciones de la adsorcin en fase lquida estn la eliminacin de compuestos orgnicos del agua o de soluciones orgnicas, la eliminacin de impurezas coloreadas de sustancias orgnicas y la eliminacin de diversos productos de fermentacin de las descargas de los fermentadores. Las separaciones incluyen la de parafinas de compuestos aromticos y la de fructuosa de glucosa utilizando zeolitas.Las aplicaciones de la adsorcin en fase gaseosa incluyen la eliminacin de agua de hidrocarburos gaseosos, la de componentes azufrados del gas natural, la de disolventes del aire y de otros gases, y la de olores del aire.CARACTERSTICAS DE LOS ADSORBENTES.

Se han desarrollado muchos adsorbentes para una amplia gama de separaciones. Por lo comn, los adsorbentes tienen forma de pelotitas, pequeas cuentas o grnulos cuyo tamao va de cerca de 0.1 mm a 12 mm, y las partculas ms grandes se usan en los lechos empacados. Una partcula de adsorbente tiene una estructura muy porosa, con numerosos poros muy finos, cuyo volumen alcanza hasta el 50% del volumen total de la partcula. La adsorcin suele ocurrir como una mono capa sobre la superficie de los poros, pero a veces se forman varias capas.

Existen varios adsorbentes comerciales y algunos de los principales se describen en seguida. Todos se caracterizan por grandes reas superficiales de los poros, que van desde 100 hasta mas de 2000 m*/g.

1. Carbn activado. ste es un material microcristalino que proviene de la descomposicin trmica de madera, cortezas vegetales, carbn, etc., y tiene reas superficiales de 300 a 1200 m*/g con un promedio de dimetro de poro de 10 a 60 A. Las sustancias orgnicas generalmente se adsorben carbn activado.

2. Gel de slice. Este adsorbente se fabrica tratando con cido una solucin de silicato de sodio y luego secndola. Tiene un rea superficial de 600 a 800 m2/g y un promedio de dimetro de poro de 20 a 50 A. Se utiliza principalmente para deshidratar gases lquidos y para fraccionar hidrocarburos.

3. Almina activada. Para preparar este material se activa el xido de aluminio hidratado calentndolo para extraer el agua. Se usa ante todo para secar gases y lquidos. Las reas superficiales fluctan entre 200 y 500 m2/g con un promedio de dimetro de poro de 20 a 140 A.

4. Zeolitas tipo tamiz molecular. Estas zeolitas son aluminosilicatos cristalinos porosos que forman una red cristalina abierta que tiene poros de uniformidad precisa. Por tanto, el tamao uniforme del poro es diferente al de otros tipos de adsorbentes que tienen una gama de tamaos de poro.Las diversas zeolitas tienen tamaos de poro que van de cerca de 3 a 10 A. Las zeolitas se usan para secado, separacin de hidrocarburos y de mezclas y muchas otras aplicaciones.

5. Polmeros o resinas sintticas. Se fabrican polimerizando dos tipos principales de monmeros. Los que se generan a partir de compuestos aromticos como el estireno y el divinilbenceno se usan para adsorber compuestos orgnicos no polares de soluciones acuosas. Los que provienen de steres acrlicos se utilizan para solutos ms polares en soluciones acuosas.

CONCEPTO DE LECHO.Un lecho consiste en una columna formada por partculas slidas, a travs de las cuales pasa un fluido (lquido o gas) el cual puede ser librado de algunas impurezas y sufre una cada de presin. Si el fluido se mueve a velocidades bajas a travs del lecho no produce movimiento de las partculas, pero al ir incrementando gradualmente la velocidad llega un punto donde las partculas no permanecen estticas sino que se levantan y agitan, dicho proceso recibe el nombre de fluidizacin.

ETAPAS DEL LECHO.

A medida que se incrementa la velocidad del fluido, con lo cual tambin se aumenta el caudal (si el rea se mantiene constante), se pueden distinguir diferentes etapas en el lecho de acuerdo con lo sealado por Melndez y Gutirrez:

Lecho Fijo: las partculas permiten el paso tortuoso del fluido sin separarse una de otras, esto hace que la altura del lecho se mantenga constante y por tanto la fraccin de vaco en el lecho (porosidad) se mantiene constante. En esta etapa el fluido experimenta la mayor cada de presin del proceso.

Lecho prefluidizado: tambin es conocido como fluidizacin incipiente, y se trata de un estado de transicin entre el lecho fijo y el fluidizado. Una de las caractersticas que presenta esta etapa es que la velocidad en este punto recibe el nombre de velocidad mnima de fluidizacin. Tambin se caracteriza porque la porosidad comienza a aumentar.

Fluidizacin discontinua: tambin se conoce como fase densa y es cuando el movimiento de las partculas se hace ms turbulento formndose torbellinos. Dentro de esta etapa se pueden distinguir dos tipos de fluidizacin:

Particulada: se manifiesta en sistemas lquido-slido, con lechos de partculas finas en los cuales se manifiesta una expansin suave.

Agregativa: se presenta en sistemas gas-slido. La mayor parte del fluido circula en burbujas que se rompen en la parte superior dando origen a la formacin de aglomerados.

Fluidizacin continua: todas las partculas son removidas por el fluido, por lo que el lecho deja de existir como tal, mientras que la porosidad tiende a uno.

Con respecto a la porosidad, se tiene que es definida como la fraccin de vaco en el lecho, y se puede calcular mediante la siguiente ecuacin:

E=(Vt-Vo)/ Vt + Eo (1)

Donde:

Eo: Porosidad inicial del lecho, [adimensional].

E: Porosidad, [adimensional].

Vo: Volumen ocupado por todas las partculas, [m3].

Vt: Volumen del lecho en un instante dado, [m3].

Si el rea es constante, la ecuacin anterior queda de la forma:

E= 1 -(Lo/L) + Eo (2)

Donde:

Eo: Porosidad inicial del lecho, [adimensional].

E: Porosidad, [adimensional].

Lo: Altura inicial del lecho, [m].

L: Altura del lecho en un momento dado, [m]Para el estudio de lechos, un elemento importante es conocer la cada de presin en el mismo. En este sentido, Mc Cabe y Smith sealan que existen dos ecuaciones que permiten calcular este valor. La primera es la ecuacin de Ergun que es utilizada para lechos fijos (1):

(3)

Donde:

Uf: Viscosidad de fluido, [Pas].Vo: Velocidad superficial de fluidizacin, [m/s].Dp: Dimetro de la partcula, [m].e : Porosidad, [adimensional].r f: Densidad del fluido, [kg/m3].AP: Cada de presin, [Pa].L: Longitud del lecho, [m].

Para lechos fluidizados se utiliza la siguiente ecuacin:

(4)

Donde:

e : Porosidad, [adimensional].pv: Densidad de las partculas del lecho, [kg/m3].p f: Densidad del fluido, [kg/m3].AP: Cada de presin, [Pa].L:Longitud del lecho, [m].g: Aceleracin de gravedad, [m/s2].

Para el estudio de los lechos fluidizados se hace necesario la determinacin de tres parmetros adimensionales que permiten su caracterizacin. Dichos parmetros son: el nmero de Reynolds (Re) y los parmetros de Wilhelm y Kwauk (KP y K). El nmero de Reynolds es:

Re: Nmero de Reynolds, [adimensional].

rpf: Densidad del fluido, [kg/m3].

Dp: Dimetro de la partcula, [m].

V: Velocidad del fluido, [m/s].

Uf: Viscosidad de fluido, [Pas].Los parmetros de Wilhelm y Kwauk son:

Donde:

P f: Densidad del fluido, [kg/m3].

Dp: Dimetro de la partcula, [m].

AP: Cada de presin, [Pa].

Lo: Altura inicial del lecho, [m].

:Uf Viscosidad del fluido, [Pas].

gc: Factor de conversin gravitacional, [1 (kgm/s2)/N].

Donde:

rp: Densidad del fluido, [kg/m3].

Dp : Dimetro de la partcula, [m].

Pv : Densidad de las partculas del lecho, [kg/m3].

Uf: Viscosidad de fluido, [Pas].

gc: Factor de conversin gravitacional, [1 (kgm/s2)/N]

DISEO DE COLUMNAS DE ADSORCIN DE LECHO FIJOUn mtodo muy usado para la adsorcin de solutos de lquidos o gases emplea un lecho fijo de partculas granulares. El fluido que se va a tratar se hace descender a travs del lecho empacado a una tasa de flujo constante. La situacin es ms compleja que la de un simple proceso por lotes en un tanque agitado que alcanza el equilibrio.

En el proceso de lecho fijo son importantes las resistencias a la transferencia de masa, y el proceso se lleva a cabo en estado no estacionario. La eficiencia del proceso depende de la dinmica global del sistema, y no slo de las consideraciones de equilibrio.Las concentraciones del soluto en la fase fluida y en la fase adsorbente slida cambian con el tiempo y tambin con la posicin en el lecho fijo conforme prosigue la adsorcin. En la entrada del lecho se supone que el slido no tiene soluto al principio del proceso; a medida que el fluido entra en contacto con la entrada del lecho, se realiza la mayor parte de la transferencia de masa y de la adsorcin.

Cuando el fluido pasa a travs del lecho, su concentracin va disminuyendo muy rpidamente con la distancia hasta llegar a cero mucho antes del final del lecho. Despus de cierto tiempo, el slido que se encuentra cerca de la entrada de la torre est casi saturado, y la mayor parte de la transferencia de masa y de la adsorcin sucede ahora en un punto ligeramente ms lejano a la entrada. En un tiempo posterior t2, el perfil o la zona de transferencia de masa donde ocurre la mayor parte del cambio de la concentracin, se ha desplazado ms lejos dentro del lecho.

Caracterizacin de la textura porosa:

Las medidas de adsorcin de gases se utilizan ampliamente para la caracterizacin de una amplia variedad de slidos porosos, como xidos, carbones, zeolitas o polmeros orgnicos.

A medida que disminuye el tamao del poro aumenta el potencial de adsorcin.

En el caso de que el poro sea suficientemente ancho las molculas se irn adsorbiendo ,formando una monocapa, y a medida que aumenta la cantidad adsorbida, el adsorbato se ordena en capas sucesivas (llenado en multicapas). Adsorcin fsica El mtodo de Dubinin-Radushkevich (DR) permite obtener el valor del volumen de microporos:

Donde:

W: es el volumen adsorbido a cada presin relativa W0 : es el volumen de poros K: una constante dependiente de la estructura : el coeficiente de afinidad, que es el cociente entre los potenciales de adsorcin de dos gases. Este mtodo fue originalmente creado y desarrollado para estudiar la microporosidad de carbones activados (Dubinin, 1955), pero enla actualidad se aplica a todo tipo de materiales microporosos.

Se basa en la cualidad de cualquier isoterma de adsorcin de gases sobre sorbentes microporos ; descrita mediante la teora del potencial de Polany, segn la cual cada sistema adsortivo/adsorbente se caracteriza por un potencial de adsorcin (E), determinado fundamentalmente por las propiedades qumicas del material adsorbente.

Mtodo de Dubinin-Radushkevich

Existe una gran variedad de adsorbatos: N2, O2, Ar, Kr, CO2 y algunos hidrocarburos, como el benceno y algunos alcanos y alcoholes de cadena corta.

Al poner en contacto un slido con una solucin lquida, a temperatura constante, se verifica:

Velocidad de adsorcin = kads . CA (1 - ) Velocidad de desorcin = kdes .

Dnde: Kads y Kdes son las constantes de adsorcin y desorcin respectivamente. CA es la concentracin de cido actico en la solucin en contacto con el carbn activado. es la fraccin de la superficie total del carbn activado cubierta. (1 ) es la fraccin de la superficie total del carbn activado descubierta.

Laecuacin de Langmuiroisoterma de Langmuiroecuacin de adsorcin de Langmuirrelaciona laadsorcinde molculas en una superficie slida con lapresin de gas oc concentracin de un medio que se encuentre encima de la superficie slida a una temperatura constante.

La ecuacin fue determinada porIrving Langmuir por concentraciones tericas en 1916; Es una ecuacin mucho ms exacta para las isotermas de adsorcin del tipo 1.

"Cuando las velocidades de condensacin y de liberacin se hacen iguales entonces se establece el equilibrio.

La expresin de la ecuacin es la siguiente:

Donde:es la fraccin de cobertura de la superficiePes la presin del gas o su concentracinalphaes una constante.

La constante es laconstante de adsorcin de Langmuiry es mayor cuanto mayor sea la energa de ligadura de la adsorcin y cuanto menor sea la temperatura.

Regeneracin del adsorbente.

Dado que la adsorcin se favorece por temperaturas bajas y presiones altas, para la regeneracin, es decir, para la desorcin, se emplean temperaturas altas y presiones bajas.

De este modo, para la regeneracin del adsorbente se puede utilizar, por ejemplo, vapor de agua o un gas inerte caliente.

La adsorcin o sorcin es la transferencia selectiva de uno o ms solutos de una fase fluida a un lote de partculas slidas. La selectividad comn de un sorbente entre el soluto y el fluido portador o entre varios solutos, hace posible la separacin de ciertos solutos presentes en el fluido portador o entre si.

La Adsorcin es causada por las fuerzas de dispersin de London, un tipo de fuerzas de Van der Waals que existen entre las molculas. Estas fuerzas acta de forma similar a como lo hacen las fuerzas gravitacionales entre los planetas.La regeneracin del adsorbente puede ocurrir in situ o ex situ.

Existen dos tipos de procesos de adsorcin: adsorcin qumica y adsorcin fsica. La adsorcin qumica no es utilizada en sistemas de control de contaminantes gaseosos por la dificultad que implica su regeneracin. En la adsorcin fsica, la molcula del contaminantes es ligeramente retenida en la superficie del adsorbente por dbiles fuerzas electrostticas, de manera que el material puede ser fcilmente regenerado. La regeneracin involucra el tratamiento de los contaminantes desorbidos, ya sea por incineracin o en algunos casos para su recuperacin. En casos en los que no se considere la regeneracin del adsorbente, se deber disponer del mismo de acuerdo a la legislacin, y en la mayora de los casos como residuo peligroso.Son tipos de regeneracin:Regeneracin en fro.Regeneracin en caliente: con vapor o aire caliente.

La regeneracin tiende a concentrar el gas contaminante y hace ms fcil su disposicin final por incineracin u otras tcnicas.Recordando la ecuacin relativa a la velocidad de la onda de adsorcin,vad:

El proceso de regeneracin se puede aproximar tericamente sustituyendo ahora por subndices R relativos a flujo regenerativo:

Si el tiempo de regeneracin es mayor que el tiempo de adsorcin, se necesitarn ms de dos lechos en paralelo (uno de ellos para adsorcin; el resto para regeneracin).Existe una aproximacin de tipo emprico que estima el tiempo para que ocurra la saturacin en un lecho fijo de la forma:

Para la regeneracin en caliente del lecho, el calor total necesario, (q) se puede expresar como:

q = q1 + q2 + q3 + q4

Donde:

q1: Calor absorbido por el recipiente que contiene el lecho (kcal).

q2: Calor absorbido por el lecho adsorbente (kcal).

q3: Calor absorbido por el contaminante adsorbido en el lecho(kcal).

q4: Calor de desorcin (kcal).El calor de desorcin suele ser superior al de vaporizacin y aproximadamente igual al de sublimacin. A falta de datos experimentales, puede calcularse de la ecuacin de Clausius-Clapeyron:

Esta misma expresin de Clausius-Clapeyron es aplicable en el clculo del calor liberado en la adsorcin. Una vez regenerado el lecho, es preciso someterlo a:

Perodo de enfriamiento.Perodo de presurizacin (si el lecho opera a presin).

Ejemplo de regeneracin de los suavizadores de aguaComo sabemos, despus de un tiempo de operacin la resina del suavizador se satura y en ese momento deja de suavizar el agua, por lo que si no se regenera equivale a no tener suavizador. Solo est de adorno.

PROCEDIMIENTO:

Aplicaciones

Una de las aplicaciones ms conocidas de la adsorcin en el mundo industrial, es la extraccin de humedad del aire comprimido. Se consigue haciendo pasar el aire comprimido a travs de un lecho de almina activa u otros materiales con efecto de adsorcin a la molcula de agua.

La saturacin del lecho se consigue sometiendo a presin el gas o aire, as la molcula de agua es adsorbida por la molcula del lecho, hasta su saturacin.La regeneracin del lecho, se consigue soltando al exterior este aire comprimido y haciendo pasar una corriente de aire presecado a travs del lecho.Lo habitual es encontrar secadores de adsorcin en forma de dos columnas y mientras una adsorbe, la otra es regenerada por el mismo aire seco de la columna anterior. Este sistema se conoce como "pressure swing adsorbtion" o PSA. Conocido tambin como cambio de presion por vaivn.

Otras aplicaciones en las que se emplea ste proceso de adsorcin como separacin son: purificacin de agua, tratamiento de aguas residuales, quitar olores, sabores o colores no deseados por ejemplo en aceites, jarabes de azcar, en la deshumidificacin de gasolinas, o en el secado de aire.

La otra aplicacin ms extendida es la obtencin de nitrgeno, haciendo pasar un caudal de aire comprimido por el lecho adsorbente, compuesto por carbn molecular, especialmente manufacturado para ese propsito.

Criterios de seleccin:Como seleccionar un adsorbente:Existen muchos tipos de polmeros adsorbentes, muchos tipos de carbn adsorbentes y muchos tipos de zeolitas adsorbentes. Consideraciones de diseo:

Zona de transferencia de masa: En cada sistema, el material adsorbido se desorber espontneamente y emigrar corriente abajo con el flujo de gas. Esto es causado por el gradiente de presin, el cual es intencionalmente muy bajo cuando los sistemas de adsorcin son utilizados como tecnologa de control de emisiones y ms bien alto, en las columnas de adsorcin en la cromatografa de gases. Esta migracin de contaminantes es por lo general lo suficientemente lenta que puede ser despreciada durante el control de las emisiones. Sin embargo, esta propiedad define un tiempo mximo absoluto para la adsorcin antes de regenerar el lecho. La saturacin es realmente un proceso gradual, porque el equilibrio entre la presin de vapor y el adsorbente est variando continuamente. De este modo, la saturacin puede ser definida como cualquier elevacin notable en la concentracin del efluente.2. Capacidad de trabajo: Los ciclos de acondicionamiento son el nmero de ciclos (usualmente alrededor de cinco), que se requieren para alcanzar una cantidad estable de adsorcin y de regeneracin.

3. Presion vapor: El carbn y los polmeros tienen una isoterma de adsorcin lineal en relacin a la presin de vapor, mientras que las zeolitas tienen una isoterma de adsorcin bastante no-lineal en relacin a la presin de vapor de las molculas por las cuales tienen afinidad. Esta linearidad hace que el adsorbente, ya sea carbn o polmeros, sea el mejor cuando la presin de vapor (o la concentracin) es ms alta; pero la falta de linearidad hace que la zeolita sea el mejor adsorbente cuando la presin de vapor (o la concentracin), es ms baja. Esta propiedad permite el uso de adsorbentes de carbn o de polmeros en un lecho de sacrificio (o primero), seguido, en la direccin del flujo del aire, por una zeolita apropiada en un lecho pulidor, para producir la presin de vapor de COV ms baja en la corriente de salida. Mientras ms baja sea la presin parcial de COV a la salida, ms alta ser la eficiencia de control.

4. Incendios del lecho: Toda adsorcin es exotrmica; esto quiere decir que la adsorcin desprende calor y causa una elevacin de la temperatura. Esta propiedad ha sido utilizada para el almacenamiento de calor, pero no es deseable para la adsorcin de COV. Se sabe que el carbn o los metales en el carbn, catalizan la oxidacin de algunos contaminantes cuando el adsorbente est caliente, resultando en incendios del lecho que tambin consumen parte o todo el carbn.

5. Afinidad: La afinidad entre el adsorbente y los COV a ser adsorbidos debe ser considerada. Si la afinidad por una molcula en el flujo de contaminantes es suficientemente mayor que la afinidad por alguna otra, entonces el adsorbente adsorber preferencialmente la molcula por la cual tiene la mayor afinidad y permitir que ocurra el transporte de la otra hasta a una velocidad tan alta como la del flujo del aire. Por tanto, el lecho corriente arriba de la ZTM se saturara con la molcula por la cual el adsorbente tuviera la mayor afinidad (suponiendo que el tamao del poro lo permitiera), mientras que las otras molculas de menor afinidad con el adsorbente pasaran ms hacia adelante a travs del lecho y finalmente hacia la salida. A medida que la ZTM se mueve a travs del lecho, causara la liberacin de las molculas con menor afinidad, mientras que adsorbera las molculas por las cuales tiene mayor afinidad.