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1-6-2015

Universidad Atlntico | Facultad de Ingeniera Programa de Ingeniera qumica

Laura Badran

Oscar Churio

Pedro Estrada

Carol Gelvez

Luisa Julio

Danalejandra Martnez

Marlyn Orozco

Beatriz Pava

TRANSFERENCIA DE MASA I ING. SANTANDER BOLVAR

ADSORCIN

2

ndice

RESUMEN.4

1. INTRODUCCIN.5

2. MARCO TERICO..6

2.1. Adsorcin....6

2.2. Tipos de adsorcin.......7

2.3. Isotermas de adsorcin........8

2.3.1. Isoterma de Freundlich.. 9

2.3.2. Isoterma de Langmuir...10

2.3.3. Isoterma irreversible......10

2.3.4. Isoterma lineal....11

3. OBJETIVOS12

3.1. Objetivos Generales...12

3.2. Objetivos Especficos.12

4. PROCESO DE ADSORCIN EN UN LECHO FIJO.......................................13

4.1. Equipos de lecho fijos....16

4.1.1. Equipo para el secado de gases..16

4.1.2. Equipo a presin alterna....16

4.1.3. Equipo para liquidos...17

4.2. Materiales adsorbentes..18

4.3. Diseo de adsorvedores................. 20

4.4. Adsorcion en lechos expandidos.................................................20

4.5. Regeneracin..........21

5. MTODOS DE CALCULOS........23

5.1. Transferencia de materia entre fases fluida y slida. Coef. de transporte...24

5.2. Ecuacin de balance de materia..25

5.3. Ecuacin de Ttransferencia...27

5.4. Ecuacin de diseo....28

3

6. APLICACIONES........30

6.1. Industria alimentaria.......30

6.1. Ingenieria ambiental.......30

7. CONCLUSIONES......31

8. RECOMENDACIONES 32

9. BIBLIOGRAFA. 33

ANEXO 1..34

ANEXO 2..37

ANEXO 3..40

4

RESUMEN

En este trabajo, se estudiara la transferencia de masa dada por el proceso de

Adsorcin entre distintas fases, ya sea para lquidos o gases, las variaciones que

puede sufrir este tipo de operacin a la hora de su funcionamiento y los distintos

tipos de adsorcin que existen hoy en da. Adems se evaluaran las distintas

ecuaciones y balances utilizados en el proceso de adsorcin, para finalizar se darn

algunas recomendaciones y ejercicios que puedan ser tiles para el lector.

5

1. INTRODUCCION

En varios procesos de operaciones de transferencia de masa, para separar mezclas

gaseosas o lquidas, el fluido se pone en contacto con partculas pequeas de un

slido poroso que adsorbe selectivamente o con complejos con ciertos

componentes de la alimentacin. En la adsorcin, el slido por lo general se

mantiene en un lecho fijo, mientras que el fluido pasa continuamente a travs del

lecho hasta que el slido est casi saturado. Entonces el flujo se desva hacia un

segundo lecho, y el lecho saturado es sustituido o regenerado.

La adsorcin tiene una gran importancia en nuestra actualidad en la parte industrial,

sus aplicaciones se encuentran desde adsorcin en fase vapor en la que se incluyen

la recuperacin de solventes orgnicos utilizados en pinturas, tintas de imprenta y

soluciones para formacin de pelculas o recubrimiento de esmaltes, hasta

adsorcin sobre carbn para separar contaminantes, tales como H2S, CS2 y otros

compuestos con mal olor, del aire que circula en sistemas de ventilacin, de esta

forma contribuye a menos contaminacin en el ambiente y ms comodidad para los

seres humanos. En la gran mayora de los automviles nuevos se colocan cartuchos

de carbn para evitar el paso de los vapores de gasolina al aire. [1]

Otras de sus mltiples utilidades son, separar oxgeno y nitrgeno, para preparar

hidrgeno puro a partir de gas de sntesis, as como para separar parafinas

normales de parafinas ramificadas y aromticas, esto se hace con adsorcin sobre

tamices moleculares; separar componentes orgnicos de aguas potables y

residuales, impurezas coloreadas de soluciones de azcar y aceites vegetales, as

como agua de lquidos orgnicos esto se realiza con adsorcin a partir de una fase

liquida. La adsorcin se emplea tambin para recuperar productos de reaccin que

no son fciles de separar por destilacin o cristalizacin. Algunos tipos de slidos

se utilizan indistintamente para adsorcin en fase de vapor y en fase lquida, si bien

los adsorbentes con mayor tamao de poro son preferibles para el caso de lquidos

y con estas aplicaciones mencionadas anteriormente se puede resaltar la

importancia de este proceso en la actualidad como una herramienta para el

desarrollo industrial, ya sea para facilitar, mejorar o implementar procedimientos

industriales.

6

2. MARCO TEORICO

2.1 Adsorcin

El proceso de adsorcin es una operacin que se fundamenta en la transferencia

de masa entre una fase slida y una fase liquida o gaseosa, que permite separar

selectivamente de una solucin uno o varios compuestos de inters. El componente

a separar se liga de forma fsica o qumica a una superficie slida, dicho slido

recibe el nombre de adsorbente, y el componente que se adsorbe en l se denomina

adsorbato. El adsorbente se debera ligar, en lo posible, slo a un adsorbato, y no

los dems componentes de la mezcla a separar. [2]

Los adsorbentes son slidos porosos de estructura amorfa o microcristalina con

altas capacidades de regeneracin, el ms utilizado es el carbn activado debido a

su gran porosidad [3], pero tambin se utilizan la almina activada, el gel de slice,

arcillas activadas, adsorbentes polisintticos y mallas moleculares.

El proceso de adsorcin se favorece a temperaturas bajas y presiones altas,

mientras que para la desorcin se emplean temperaturas altas y bajas presiones,

favoreciendo de esta forma la regeneracin del absorbente.

Para las operaciones de adsorcin, las columnas de lecho fijo constituyen el tipo

ms utilizado. En estos equipos se hace pasar la solucin contaminada con

adsorbato a velocidad constante [2]. Existen curvas de ruptura que se emplean para

disear adsorbedores de lecho fijo, segn su comportamiento de adsorcin [3].

Figura 1.Curva ideal de un adsorbedor de lecho fijo.

En donde:

Co= Concentracin de entrada de adsorbato en el fluido

C(t)= Concentracin de adsorbato en el fluido en la salida del adsorbedor

7

Si un fluido con concentracin constante pasa a travs de un adsorbedor de lecho

fijo, este se adsorbe inicialmente en la zona inferior del lecho y el fluido que sale no

contiene, por lo tanto, adsorbato. Esto sucede debido a que a medida que

transcurre el tiempo disminuye la capacidad de adsorcin e la zona inferior de lecho

afectando la eficiencia de adsorcin y por tanto la transferencia de masa. [3]

Las principales ventajas de estos sistemas son:

Trabajan eficientemente a concentraciones bajas de contaminante.

Son flexibles frente a variaciones de caudal y concentracin.

Moderadas necesidades de espacio.

2.2 Tipos de adsorcin

La adsorcin puede ser de dos tipos, qumica fsica. A principal diferencia entre las

dos es la naturaleza del enlace que forma entre la molcula adsorbida y la superficie

adsorbente.

Adsorcin fsica. Se presenta cuando el adsorbato se adhiere a la superficie

mediante fuerzas de Van de Waals; la naturaleza de las fuerzas de adsorcin fsica

es tal que se acumularan capas mltiples de adsorbato sobre la superficie del

adsorbente.

Adsorcin qumica. Se caracteriza por una particin de electrones entre el

adsorbente y adsorbato que da por resultado la liberacin de una cantidad de calor

que es de la misma magnitud que el calor de reaccin. A causa de la comparticin

de electrones en la superficie, los materiales qumicamente adsorbidos se restringen

a la formacin de una monocapa. [4]

En estos procesos la adsorcin qumica la energa es mayor, debido a que se

necesita una energa de activacin por lo que sucede a temperaturas superiores a

la adsorcin fsica.

La distancia para la cual la energa del sistema en respecto a la molcula que ser

adsorbida es mnimo se conoce como distancia de adsorcin, la cual es menor en

el proceso fsico, Es por esto que esta etapa es previa a el proceso qumico, ya que

tiene mayor interaccin con la superficie y por lo tanto menor distancia de adsorcin.

[5]

8

2.3 Isoterma de adsorcin

Para los sistemas en los cuales existe solo un soluto transferible (Sistema

monovariantes), se puede medir la relacin de equilibrio entre la concentracin de

adsorbato en la fase fluida y la concentracin de adsorbato en la fase solida a una

temperatura determinada y la correlacin de estas concentraciones se denomina

isoterma de adsorcin. Cuando esta curva se construye para sistemas slido-

lquidos, la concentracin del fluido se expresa habitualmente en unidades de masa,

tales como partes por milln (ppm) o partes por billn (ppb), [6] mientras que la

concentracin de adsorbato sobre el slido se exprese como masa de soluto

adsorbida por unidad de masa de adsorbente original como se muestra en la figura

1.

Figura 2. Isoterma de adsorcin

Tomado de operaciones unitarias en ingeniera qumica. Autores

McCABE,W.;SMITH,J. Y HARRIOT, P.

Muchos de los modelos y teoras se han desarrollado para explicar el mecanismo

de adsorcin y para proveer ecuaciones de la curvas de equilibrio. Entre las

isotermas empleadas para ajustar los datos experimentales de adsorcin se tienen

la Isoterma de Freundlinch y la Isoterma de Langmuir.

9

2.3.1 Isoterma de Freundlich.

Esta isoterma con frecuencia es conocida como la ecuacin clsica: est limitada

para un rango pequeo de concentraciones y en particular para soluciones diluidas.

Se puede representar con la ecuacin (1). [6]

X=b(Y*)n (1)

En donde, b y n son constantes para el sistema adsorbato adsorbente.

X= Masa de adsorbato adsorbido por masa de adsorbente [masa adsorbato/ masa

adsorbente].

Y*= Concentracin de adsorbato en la fase de fluido en equilibrio con la

concentracin media de adsorbato sobre la superficie del solido [Masa de adsorbato

/Volumen de fluido]

La isoterma de adsorcin son convexas hacia el eje de concentracin de la solucin

se denomina favorables, debido a que puede obtener una concentracin

relativamente elevada de adsorbato en el adsorbente para una baja concentracin

de adsorbato en el fluido. Si la isoterma de adsorcin es favorable, la transferencia

de masa desde el slido hacia la fase liquida tiene caractersticas similares a las de

la adsorcin con una isoterma no favorable. [6]

n< isoterma favorable.

Para adsorcin favorable, el punto de ruptura ocurre entre los valores predichos

para la adsorcin lineal y la adsorcin irreversible. Se dispone de soluciones para ciertas formas de isotermas y diferentes valores de las resistencias interna y externa. Estas soluciones han encontrado aplicacin en el diseo de intercambiadores de iones, donde el equilibrio slido-lquido y las difusividades internas se pueden caracterizar con mayor facilidad que en la adsorcin.

Una isoterma que es cncava hacia arriba recibe el nombre de desfavorable debido

a que se obtienen cargas de slido relativamente bajas y a que conducen a largas

zonas de transferencia de materia en el lecho. Las isotermas de esta forma son

raras, pero resultan interesantes para ayudar a comprender el proceso de

regeneracin. [7]

n< isoterma desfavorables

10

2.3.2 isoterma de Langmuir

La expresin desarrollada por este tipo de isoterma para la adsorcin de adsorbatos

puros en capas unimoleculares ha sido considerada como la ecuacin simple de

mayor importancia en el campo de la adsorcin. La ecuacin de langmuir se ha

considerado como el modelo que mejor ajusta los datos de equilibrio que

corresponden a isotermas favorables. Esta ecuacin se caracteriza por una

aproximacin de la capacidad de adsorcin limite como la formacin de una

monocapa completa sobre la superficie del adsorbente, aproximacin que

corresponde a la quimiosorcin. Langmuir expresa que el peso de adsorbato sobre

la superficie del solido se determina mediante la ecuacin (2). [7]

=..

1+. (2)

En donde:

Q= Peso del adsorbato para la cobertura de monocapa completa [masa de

adsorbato / masa de solido]

K= Constante de adsorcin.

2.3.3 Isoterma irreversible

El caso lmite de una isoterma muy favorable es la adsorcin irreversible, donde la

cantidad adsorbida es independiente de la disminucin de concentracin hasta

valores muy bajos. Todos los sistemas presentan una disminucin de la cantidad

adsorbida al aumentar la temperatura y, por supuesto, el adsorbato puede

desorberse aumentando la temperatura, aun para los casos titulados irreversibles.

Sin embargo, la desorcin requiere una temperatura mucho ms elevada cuando la

adsorcin es muy favorable o irreversible que cuando las isotermas responden a un

modelo lineal. [6]

La adsorcin irreversible con un coeciente de transferencia de masa constante es

el caso ms sencillo a considerar, puesto que la velocidad de transferencia de masa

es entonces proporcional a la concentracin del uido. Un coeciente

verdaderamente constante se obtiene slo cuando la resistencia est en la pelcula

externa, pero una resistencia interna moderada no cambia mucho la curva de

ruptura. La adsorcin muy favorable conduce casi a los mismos resultados que la

11

adsorcin irreversible debido a que la concentracin de equilibrio en el uido es casi

cero hasta que la concentracin del slido alcanza la mitad del valor de saturacin.

2.3.4 Isoterma lineal

La isoterma lineal pasa por el origen de coordenadas y la cantidad adsorbida es

proporcional a la concentracin en el uido, lo anterior puede describirse por la

ecuacin de la lnea recta que pasa por el origen [6], de la forma:

X= b(Y*) (3)

Donde:

X= Cantidad de soluto adsorbido por la cantidad de adsorbente

Y*= Concentracin de soluto en solucin.

b= Constante de equilibrio.

12

3. OBJETIVOS

3.1 Objetivos generales

Conocer y entender la transferencia de masa presente en el proceso de

adsorcin

3.2 Objetivos especficos

comprender el proceso de adsorcin y sus clasificaciones.

Investigar el diseo de una torre de adsorcin.

Averiguar y mostrar sus aplicaciones industriales.

13

4. PROCESO DE ADSORCIN EN UN LECHO FIJO

Las operaciones de adsorcin en columnas de lecho fijo consistente en hacer fluir

una solucin contaminada con adsorbato a velocidad constante a travs del lecho,

tal como se esquematiza en la figura 3. En estas operaciones a medida que avanza

el tiempo el adsorbato se va acumulando en el lecho de adsorcin y por lo tanto el

proceso presenta un estado no estacionario [8]

Figura 3. Proceso de Adsorcin en un lecho fijo

Tomado de Operaciones de transferencia de masa. Autor: TREYBAL, Roberth.

Como se puede apreciar, al pasar el fluido con el adsorbato por la columna en forma

descendente, la capa superior de adsorbente se satura y el fenmeno de

transferencia de masa de adsorbato desde la solucin hacia el adsorbente se hace

de una manera efectiva en una zona relativamente estrecha llamada zona de

adsorcin, ZA, en la cual los cambios de concentracin se hacen significativos. A

medida que trascurre el tiempo la zona de adsorcin se desplaza a travs del lecho

como una onda que avanza hacia la parte inferior del mismo a velocidad constante

14

generalmente ms lenta que la velocidad del fluido. Despus de un tiempo la parte

inferior de la zona de adsorbato en el efluente comienza a cambiar abruptamente,

en este momento, se dice que se ha alcanzado el punto de ruptura y a partir de este

punto la concentracin de adsorbato en el efluente de salida aumenta con rapidez,

al pasar la zona de adsorcin a travs del fondo del lecho, hasta alcanzar

aproximadamente el mismo valor de la entrada del lecho. Si se correlaciona la

concentracin del efluente en funcin del tiempo de operacin se obtiene una curva

denominada curva de ruptura.

El comportamiento de los adsorbedores de lecho fijo se basa en la construccin de

las curvas de ruptura, ya que a partir de estas es posible obtener una descripcin

de la velocidad de transferencia de masa del adsorbato al adsorbente; estas curvas

son funcin de las dimensiones del adsorbedor, de las condiciones de operacin, y

de las concentraciones de equilibrio del adsorbato en las dos fases [8].

Si la altura de la zona de adsorcin es pequea con relacin a la longitud del lecho,

la pendiente de la curva de ruptura entre los puntos tE y tB ser pronunciada y se

utilizara la mayor parte de la capacidad del solido hasta el punto de ruptura. Cuando

la zona de adsorcin es similar a la longitud del lecho, la curva ser extendida y se

utiliza menos de la mitad de capacidad del lecho. [6].

Generalmente, un lecho fijo se opera hasta el punto de ruptura, el cual decrece al

aumentar el tamao de partcula del adsorbente, al incrementar el flujo del fluido a

travs del lecho y al aumentar el contenido inicial de adsorbato en la alimentacin.

En muchas ocasiones el fluido se pasa continuamente a travs del lecho hasta que

el slido se satura, en ese momento se desva entonces el flujo hacia un segundo

lecho hasta que el adsorbente saturado del primer lecho es sustituido o regenerado.

[8]

Como se muestra en la Figura 3, es un sistema de equipo tpico utilizado para la

adsorcin de vapores solventes. Las partculas de adsorbente se colocan en un

lecho de 0.3 a 1.2m (1 a 4 ft) de espesor soportado sobre un tamiz o placa perforada.

La alimentacin gaseosa circula en sentido descendente a travs de uno de los

lechos mientras que el otro se encuentra en regeneracin. El ujo descendente es

preferible debido a que el ujo ascendente a velocidades elevadas da lugar a la

uidizacin de las partculas, lo que provoca colisiones y prdida de nos. Cuando

la concentracin de soluto en el gas que sale alcanza un cierto valor, o bien para un

tiempo previamente establecido, se accionan automticamente. Las vlvulas se

encuentran con el n de dirigir la alimentacin al otro lecho e iniciar la secuencia de

regeneracin.

15

Figura 4. Sistema de adsorcin en fase de vapor.

Tomado de operaciones unitarias en ingeniera qumica. Autores McCABE,W.;SMITH,J. Y

HARRIOT, P

La regeneracin puede realizarse con gas inerte caliente, pero por lo general es

preferible utilizar vapor de agua cuando el solvente no es miscible en agua. El vapor

de agua se condensa en el lecho aumentando la temperatura del slido y

suministrando la energa necesaria para la desorcin. El solvente se condensa, se

separa del agua y, con frecuencia, se seca antes de su reutilizacin. El lecho

entonces se enfra y se seca con un gas inerte, no siendo necesario disminuir la

temperatura de todo el lecho hasta la temperatura ambiente. Si el gas limpio es

capaz de tolerar algo de vapor de agua, la evaporacin de agua durante el ciclo de

adsorcin ayudar a enfriar el lecho y eliminar parcialmente el calor de adsorcin.

El tamao del lecho adsorbente est determinado por la velocidad de ujo de gas y

por el tiempo de ciclo deseado. El rea de la seccin transversal se calcula por lo

general de tal forma que se obtenga una velocidad supercial de 0.15 a 0.45 m/s

(0.5 a 1.5 ft/s), que da lugar a una cada de presin de pocas pulgadas de agua por

pie de lecho cuando se utilizan adsorbentes tpicos (4 por 10 mallas o 6 por 16

mallas). Para velocidades de ujo muy grandes puede instalarse un lecho

rectangular en la parte central de un cilindro horizontal en vez de utilizar un tanque

vertical con un dimetro mucho mayor que el espesor del lecho.

El espesor del lecho y la velocidad de ujo por lo general se seleccionan para

proporcionar un ciclo de adsorcin de 2 a 24 h. Utilizando un lecho ms largo es

posible ampliar el ciclo de adsorcin a varios das, pero la mayor cada de presin

y la mayor inversin necesaria harn la operacin probablemente antieconmica.

Algunas veces se recomienda un espesor de lecho de slo 0.3 m (1 ft) o menos

para disminuir la cada de presin y el tamao del adsorbedor, pero los lechos de

16

poca longitud no producen una separacin completa y requieren ms energa para

la regeneracin. [7]

4.1 Equipos de lecho fijos:

4.1.1 Equipo para el secado de gases

El equipo para el secado de gases es similar al que se ilustra en la gura 3, con la

diferencia de que se utiliza gas caliente para la generacin. El gas hmedo procede

del lecho que se est regenerando y puede descargarse a la atmsfera o bien la

mayor parte del agua se separa en un condensador y el gas hace recircular al lecho

a travs de un sistema de calefaccin. Para secadores pequeos se instalan con

frecuencia calentadores elctricos dentro del lecho para suministrar energa de

regeneracin.

Cuando la regeneracin se realiza a presin mucho ms baja que la de adsorcin,

no es necesario suministrar calor toda vez que la baja presin favorece la

desorcin. Si un secador de gases opera a varias atmsferas de presin durante un

ciclo de adsorcin, se puede conseguir una regeneracin casi completa pasando

parte del gas seco a travs del lecho, a la presin atmosfrica, sin calentamiento

previo. Parte del calor de adsorcin, que est almacenado en el lecho como calor

sensible, se utiliza para la desorcin y el lecho se enfra durante la regeneracin. La

cantidad de gas que se necesita para la regeneracin es slo una fraccin del gas

de alimentacin del ciclo de adsorcin, puesto que el gas que sale a 1 atm tendr

una fraccin molar de agua mucho mayor que el gas de alimentacin. Aplicando el

mismo principio, la regeneracin al vaco ofrece una alternativa a la regeneracin

con vapor de agua o con gases calientes cuando la adsorcin se realiza a la presin

atmosfrica. [6]

4.1.2 Adsorcin a presin alterna.

Aunque la adsorcin es ms utilizada como un proceso de puricacin para eliminar

pequeas cantidades de material, diversas aplicaciones incluyen separaciones de

mezclas de gases con concentraciones moderadas a altas de adsorbatos.

stas se conocen como separaciones al por mayor y tambin utilizan diferentes

procedimientos de operacin para la puricacin de gas. La adsorcin a presin

alterna (PSA) es un proceso de separaciones al por mayor que se utiliza para la

17

separacin de aire de plantas a pequea escala y para la concentracin de

hidrgeno en corrientes de proceso.

Un proyecto simple de PSA para separacin de aire utiliza dos lechos de tamices

moleculares, con una adsorcin a una presin de varias atmsferas mientras que la

otra se regenera a 1 atm. Para la misma concentracin, el nitrgeno es adsorbido

de 3 a 4 veces tan fuerte como el oxgeno, as que es posible producir oxgeno casi

puro como producto. [6]

Sin embargo, el tiempo de adsorcin es muy corto (menor a un minuto) a causa de

la alta concentracin de N2 en el aire y la baja capacidad del solvente. Por lo tanto, la retencin del gas en el lecho es relativamente signicativo a la cantidad

adsorbida, y este volumen de gas debe considerarse en el diseo del ciclo de

adsorcin. Despus de la adsorcin, el lecho es despresurizado, lo cual elimina la

mayor parte del gas referido y algo del gas adsorbido. El lecho es purgado a 1 atm

con parte del producto gaseoso del otro adsorbedor para terminar la desorcin.

Entonces el lecho es presurizado con el producto gaseoso antes de que se active

la alimentacin del aire. La mayora de los proyectos complejos utilizan tres o cuatro

lechos con slo un lecho adsorbedor y los otros son despresurizados, purgados, o

represurizados, todo bajo el control de un cronmetro de tiempo.

Aunque el PSA est por lo general basado en diferencias en la cantidad de equilibrio

adsorbida, algunas separaciones utilizan diferencias en la cintica de adsorcin. Se

puede preparar nitrgeno casi puro a partir del aire mediante la utilizacin de un

tamiz molecular de carbn, los materiales que tienen bocas porosas muy pequeas las cuales admiten molculas de oxgeno mucho ms fcil que las molculas de nitrgeno un poco mayores. Las cantidades de equilibrio adsorbidas son ms o

menos las mismas, pero la difusividad efectiva de O2 es 100 veces mayor que la de

N2, y muy poco N2 es adsorbido durante el corto periodo de adsorcin. [6]

4.1.3 Adsorcin para lquidos.

Un ejemplo importante de adsorcin para la fase lquida es el uso de carbn

activado para remover contaminantes a partir de desechos acuosos. Los

adsorbentes de carbn se utilizan entonces para eliminar vestigios orgnicos de

suministros de agua municipales, los cuales mejoran el sabor y reducen la

oportunidad de formacin de compuestos txicos en la etapa de cloracin. Para

estos usos, los lecho de carbn son de muchos pies de dimetro y arriba de 10 m

(30ft) de alto, y puede haber varios lechos operando en paralelo. Los lechos altos

son necesarios para asegurar el tratamiento adecuado, porque la velocidad de

18

adsorcin para lquidos es mucho menor que para gases. Tambin el carbn

agotado es por lo general eliminado del lecho para regeneracin, y por lo tanto son

deseables periodos largos entre regeneraciones.

Un mtodo alternativo de tratamiento de aguas de desecho consiste en adicionar

carbn en polvo a un tanque de solucin utilizando agitadores mecnicos o

aspersores de aire para mantener las partculas suspendidas. Con las partculas

nas, la adsorcin es mucho ms rpida que con el carbn granulado, pero se

necesita un equipo mayor para eliminar el carbn agotado por sedimentacin o

ltracin. El tratamiento con carbn en polvo puede ser discontinuo, o bien,

efectuarse de manera continua, con adicin de carbn medido a la corriente de

desecho y una eliminacin continua del carbn agotado. [6]

En el sistema PACT desarrollado por USFilter y DuPont, el tratamiento con polvo

de carbn activado se combina con tratamiento biolgico en grandes tanques

areado para extraer los contaminantes de las aguas residuales municipales o

industriales. Las partculas de carbn adsorben algunos contaminantes que no son

biodegradables, pero tambin hay un efecto sinergtico al lograr que se den juntos

tanto el tratamiento de adsorcin como el biolgico. Ciertos compuestos que no son

biodegradables y que se adsorben dbilmente se pueden extraer totalmente por

medio del proceso PACT.

La cantidad de carbn que se agrega a la corriente de desechos vara desde 10ppm

hasta ms de 1 000 ppm, dependiendo de la naturaleza del desecho y de los

estndares de los euentes. Se utiliza un tanque de decantacin despus del tanque

de tratamiento y, reciclando cierta parte de la capa de sedimento, se puede

incrementar la concentracin de carbn, y el tiempo de residencia del carbn en el

sistema puede aumentar varias veces el tiempo de residencia hidrulica. El precio

del carbn en polvo es de slo la mitad del carbn granulado y constituye una

pequea parte del costo de operacin. En las grandes plantas, el costo del carbn

se puede reducir posteriormente por medio de regeneracin con aire hmedo a 250

C, lo que destruye la biomasa y la mayora de las especies adsorbidas, pero slo

se pierde alrededor de 10% del carbn. [6]

4.2 Materiales adsorbentes

Los materiales slidos empleados como adsorbentes son productos naturales o

sintticos. En cualquier caso, el proceso de fabricacin ha de asegurar un gran

desarrollo superficial mediante una elevada porosidad. Los adsorbentes naturales

(arcillas, zeolitas) tienen pequeas superficies. Los adsorbentes industriales y los

19

carbones activados de buena calidad pueden llegar a tener entre 1.000 y 1.500

m2/g. [9]

Los mecanismos de adsorcin son muy complejos y no se han determinado con

precisin an, no se dispone de una norma satisfactoria mediante la cual puedan

preverse, a priori las afinidades relativas entre un material poroso y una sustancia.

Dentro de las caractersticas importantes que debe reunir un buen adsorbente son

las siguientes:

Alta capacidad de adsorcin. La relacin d equilibrio entre las fases influye

en la eficacia con que se alcanza la capacidad final y, en muchos casos,

controla la capacidad real del soluto.

Propiedades fsicas y tamao de partcula adecuados para garantizar la

necesaria resistencia mecnica y facilidad de manejo, produciendo la menor

prdida de carga posible tanto en lechos fijos como en los mviles o

fluidizados.

Costo bajo, tanto de la materia prima como del proceso de fabricacin.

Fcil regeneracin; por desorcin, especialmente en el caso de los procesos

continuos.

Como substancia absorbente se utiliza el CAG (C activo granulado) debido a su

gran superficie, a su afinidad por la materia orgnica y que es regenerable. [10] Los

adsorbentes utilizados en gran escala incluyen al carbn activado, slica gel,

almina activada, zeolitas sintticas, tierra de fuller y otras arcillas. La ms

importante caracterstica de los adsorbentes slidos son sus grandes superficies,

volumen y su afinidad para componentes individuales. Algunos de estos

adsorbentes as como sus usos se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Adsorbentes Utilizados para el Control de Contaminantes Gaseosos

Adsorbente Uso

Carbn Activado Recuperacin de solventes, eliminacin de olores, purificacin de

gases.

Almina Secado de gases, aire y lquidos.

Bauxita Tratamiento de fracciones del petrleo, secado de gases y

lquidos.

Oxido de Calcio

(Cal)

Eliminacin de Dixido de azufre y neblinas acidas.

Silica gel Eliminacin de humedad de gases

20

4.3 Diseo de adsorvedores

El diseo de un adsorbedor para purificacin de gas o lquido implica la eleccin del

adsorbente y el tamao de la partcula, seleccionando una velocidad apropiada para

obtener el rea del lecho, y tambin determinar la longitud del lecho para un ciclo

de tiempo determinado o calcular el tiempo de ruptura para una longitud escogida.

Utilizando una longitud de lecho menor significa un pequeo inventario solvente y

una baja cada de presin en el lecho. [11]

Sin embargo, el lecho ms corto significa una regeneracin ms frecuente y altos

costos de regeneracin, puesto que una pequea fraccin de lecho est saturada

en la ruptura. Para la purificacin de un gas, tambin se escogen mallas de carbn

de 4*6 o 4*10, pero se utilizan tamaos menores cuando se necesita una mejor

transferencia de masa y la cada de presin no es un problema. La velocidad del

gas est por lo regular entre 15 y 60 cm/s (0.5 y 2 ft/s). A causa de que el rea

externa vara con 1/Dp y que kc,ext y kc,int aumentan cuando Dp disminuye, se espera

que kca vare con DP elevado a la potencia de 1.5 a 2.0. Por lo tanto una reduccin

en el tamao de la partcula da una curva de ruptura ms pronunciada.

Para la adsorcin de lquidos, se escogen pequeas partculas, y la velocidad del

fluido es mucho menor que en los gases. Las condiciones tpicas son de 20 * 50

mallas de carbn (Dp = 0.3 a 0.8 mm) y una velocidad superficial de 0.3 cm/s (0.01

ft/s o alrededor de 4 gal/min ft2). Aun con estas condiciones Kca/u0 es menor que

para la adsorcin tpica de gas, y LUB (Longitud de lecho no utilizado) puede ser de

10 a 20 cm o an ms de 1 m si hay control de la difusin interna. [11]

4.4 Adsorcin en lechos expandidos

La adsorcin se usa a veces para recuperar antibiticos o protenas de caldos de

cultivo de fermentacin o de suspensiones de clulas. Para estas aplicaciones,

puede ser ventajoso usar un lecho fluidizado expandido de un adsorbente selectivo,

pues las clulas y otras partculas pequeas (Dp 1 m) pueden pasar a travs del

lecho expandido, en tanto que las molculas de los productos difunden hacia la

superficie y dentro de los poros del adsorbente. [12] Despus de un enjuague

minucioso, se regenera el adsorbente como un lecho fijo con una solucin qumica

a un pH diferente para dar un producto concentrado libre de slidos y de algunas de

las impurezas solubles. Con la adsorcin en lecho fijo, los slidos deberan poder

21

extraerse antes de la adsorcin por filtracin, centrifugacin o microfiltracin, dado

que los slidos pronto taponaran los canales del lecho fijo.

Para la adsorcin en lechos expandidos, se necesitan partculas bastante pequeas

(0.1 a 0.3 mm) debido a la baja difusividad efectiva de las grandes molculas en los

poros pequeos. La velocidad de flujo se escoge para expandir el lecho por

alrededor de 100%, lo que requiere una velocidad que sea varias veces la velocidad

de fluidizacin mnima, pero menor que la velocidad terminal de una partcula

individual del adsorbente.

La fluidizacin es del tipo particulado de forma de partcula con una expansin

del lecho uniforme. La dispersin axial es algo mayor que para un lecho fijo, debido

al movimiento de partculas, pero se pueden obtener curvas de penetracin

moderadamente pronunciadas. [13]

4.5 Regeneracin

Se han publicado pocos estudios acerca de la cintica de la regeneracin, dado que

es difcil reproducir las condiciones para un gran lecho adiabtico en un adsorbedor

de laboratorio y crear el modelo es complicado porque la isoterma de desorcin es

monolineal y desfavorable. [11] Para la regeneracin de carbn por medio de vapor,

generalmente se usa el flujo contrario con vapor de 130 a 150 C.

La regeneracin se detiene poco despus de que el frente de temperaturas alcanza

la parte superior del lecho y el consumo tpico de vapor es de 0.2 a 0.4 lb de vapor/lb

de carbn. Aunque queda una significativa cantidad de adsorbato, la regeneracin

es ms completa cerca de la base del lecho, de modo que se puede lograr an un

alto porcentaje de la extraccin en el siguiente periodo de adsorcin. Si se necesita

la extraccin extremadamente alta de un soluto, el lecho se puede regenerar casi

por completo prolongando el periodo de exposicin al vapor o usando vapor de

temperatura ms elevada.

Para algunos procesos donde la adsorcin se utiliza para recuperar un producto

valioso, la regeneracin por desorcin con cambios trmicos alternantes no es

factible, debido a que la elevada temperatura necesaria para la desorcin

degradara el producto. [11]

Una alternativa consiste en desplazar el adsorbato por medio de un gas o un lquido

que sea fuertemente adsorbido en forma moderada y se pueda separar fcilmente

del producto. Muchos materiales pueden ser adecuados para la regeneracin por

desplazamiento, ya que un adsorbato puede ser desplazado casi por completo por

22

otras especies, incluso si la sustancia que desplaza est adsorbida con menor

fuerza.

El proceso Exxon para la separacin de parafinas lineales de peso molecular medio

es un ejemplo de ciclo de adsorcin con regeneracin por desplazamiento.2 Las

molculas lineales se extraen de la alimentacin lquida por adsorcin a 300 C por

medio de filtros moleculares con cavidades de 5 , mientras que se excluyen los

ismeros cclicos y los ramificados. Las parafinas lineales se desorben por medio

de amonaco gaseoso, el cual se adsorbe con moderada fuerza a pesar de su bajo

peso molecular. Los hidrocarburos se extraen con facilidad por medio de la

condensacin y el amoniaco se vuelve a usar. El tiempo completo del ciclo es de 12

a 30 min, dependiendo de la concentracin de las parafinas lineales de la

alimentacin. [14]

23

5. MTODOS DE CALCULOS

Como ya se ha venido estudiando la adsorcin en una operacin de separacin de

uno o varios componentes de una mezcla fluida, gas o lquido, mediante un slido

adsorbente de distinta naturaleza y por consiguiente, ajeno a la misma. En la Figura

1, se representa de forma esquemtica una columna de lecho mvil para la

adsorcin de un solo componente de una mezcla fluida que se introduce por la parte

inferior de la columna y se pone en contacto con una corriente de solido granular

adsorbente que se introduce por la parte superior de la misma. El componente

transferido pasa de la fase fluida a la slida, quedando retenido sobre la superficie

del adsorbente por fuerzas de tipo fsico, sin que se produzca reaccin superficial,

cuando el componente transferido necesita ser recuperado por la operacin inversa

de desadsorcin. [15]

Figura 5. Representacin esquemtica de una columna de lecho mvil, para la adsorcin

o desadsorcin de un componente.

24

Dnde:

V= El caudal de fase fluida que transfiere el componente a la fase slida en el caso

de la adsorcin, o que recibe el componente retenido por el slido granular

adsorbente (adsorbato) en el caso de la desadsorcin.

L = el caudal de fase solida granular adsorbente, sobre base libre de componente

transferible.

V =el caudal de fase fluida sobre base libre de componente que se transfiere.

Y= Razn gravimtrica de componente transferible a componente portador en la

fase fluida.

X= dem de componente transferible a componente portador en la fase solida

granular.

h= Altura de la columna de lecho mvil.

Las variables V, Y, L y X podrn llevar los subndices (1) y (2), si estn referidas a

la base y tope de la columna respectivamente. [15]

5.1 transferencia de materia entre fases fluida y slida. Coeficiente de

transporte

La transferencia de molculas del componente transferible desde la fase fluida a la

fase solida granular en el proceso de adsorcin tiene lugar a travs de las siguientes

etapas:

Transferencia de molculas del componente transferible (adsorbato) por

difusin o conveccin desde el seno del fluido a la superficie externa de las

partculas slidas.

Difusin de las molculas de adsorbato desde las bocas de los poros de la

partcula adsorbente hasta los centros activos de la superficie adsorbente

donde quedaran retenidos por fuerzas fsicas al producirse la fisisorcin.

Anlogamente en la operacin de desadsorcin las etapas sern las siguientes:

Difusin de las molculas de adsorbato desadsorbidas de los centros activos

de la superficie adsorbente a travs de los poros de las partculas slidas

adsorbentes hasta la superficie externa de las mismas.

Transferencia de molculas de adsorbato, por difusin o conveccin desde

la superficie externa de las partculas adsorbentes hasta el seno de la fase

fluida.

25

Donde:

Ni dA = Caudal resultante del flujo del componente transferible i, Ni, a travs del

elemento de superficie interfacial de transferencia dA.

Ci = la concentracin o presin parcial del componente transferible i, en el seno de

la fase fluida.

ci = dem en la superficie externa de la partcula.

cio =dem en el fluido que llena los poros.

Ki = el coeficiente individual y local e el seno de la fase fluida para el componente

transferible i.

KSi = dem en el fluido que llena los poros.

Ki = el coeficiente global local de transferencia del componente i, referido a la fase

fluida como un todo.

Ni dA = ki dA (Ci ci)= Cici

1

kida

(1)

Ni dA = ksi dA (ci ci0)= cici0

1

ksida

(2)

Y a partir de las ecuaciones (1) y (2) se obtiene:

NidA =Ci ci

1kidA

=ci ci0

1kidA

= Ci ci0

1kidA

+ 1

kSidA

=ci ci0

1idA

(3)

1

kidA+

1

kSidA=

1

idA (4)

Estas ecuaciones nos da la relacin entre coeficiente individuales y global de

transferencia. [15]

5.2 Ecuacin de balance de materia

Si consideramos un volumen de control de columna de altura dh, un balance de

componente transferible vendra expresado por la siguiente ecuacin:

VdY = LdX (5)

26

Integrando entre el tope de la columna (2) y cualquier seccin de la misma se tiene:

V(Y Y2) = L(X X2) Y =

L

VX + [Y2

L

VX2] (6)

Expresin de la recta de operacin de pendiente L

V, y ordenada en el origen Y2

L

VX2

En la figura 2. Se representa el diagrama Y-X, la lnea de equilibrio y tres posiciones

de la recta de operacin para la adsorcin y en la Figura 3. La correspondiente

construccin para la desadsorcin. [15]

En el caso 2 se representa la lnea de operacin con pendiente L

V, max, que nos

llevara al diseo de una columna de altura cero; con pendiente L

V,min, que nos

llevara a una columna de alura infinita. La condicin real de operacin viene dada

por la posicin intermedia AB que nos llevara a una columna de altura finita.

Figura 6. Representacin de lnea de equilibrio y tres posiciones de lnea de operacin

para adsorcin.

27

Figura 7. Representacin de lnea de equilibrio y tres posiciones de lnea de operacin

para desadsorcin.

Anlogamente en la operacin de la desadsorcin, caso 3, se representa la lnea de

operacin con pendiente L

V, min, que nos llevara a una columna de altura cero. La

condicin real de operacin viene dad por la posicin intermedia BA, que nos

llevara a una altura finita,Ys representa la concentracin de adsorbato en la fase

gaseosa en contacto con la superficie externa de la fase slida. [15]

Siempre se verificara:

Y> Ys > Y0 para la adsorcin

Y0 > Ys>Y para la desadsorcin

5.3 Ecuaciones de transferencia

Si se representa por:

a= superficie interfacial por unidad de volumen de lecho.

S= seccin transversal de la columna.

Se tiene:

dV = aSdh (7)

28

Si se representa por N en flujo del componente transferible a travs de la superficie

elemental dA, se puede escribir, utilizando coeficiente global y local de transferencia

referido a las fases gaseosas y liquidas como un todo, la siguiente expresin:

N(aSdh) = KGaP (Y

1 + Y

Y01 + Y0

) Sdh = KLact (Y

1 + Y

Y01 + Y0

) Sdh (8)

Dnde:

KG = coeficiente global y local de transferencia referido a la fase gaseosa como un

todo en el caso de que la fase fluida sea gaseosa (adsorcin gas- solido).

KL= dem referido a la fase liquida como un todo, en el caso de que la fase fluida

sea liquida (adsorcin liquido-solido). [15]

5.4 Ecuacin de diseo

Teniendo en cuenta la ecuacin (5) de balance de materia y las ecuaciones (8) de

transferencia del componente, igualando miembro a miembro se llega a las

siguientes ecuaciones:

VdY = KGaP (Y

1 + Y

Y01 + Y0

) Sdh Fase fluida gaseosa (9)

VdY = KLact (Y

1 + Y

Y01 + Y0

) Sdh fase fluida liquida (10)

Y considerando valores medios de los coeficientes globales e integrando para toda

la columna, suponiendo fase gaseosa, se llega a la siguiente expresin:

h =

V

SKGaP

(1 + Y)(1 + Y0)dY

Y Y0

Y1

Y2

= HAGT. NATc (11)

Dnde:

h= Altura de la columna.

HAGT=altura de la unidad de transferencia global referida a la fase gaseosa como un

todo.

NATc =Nmero de unidades de transferencia global referido a la fase gaseosa como

un todo.

Anlogamente, considerando fase fluida liquida se llegara a:

29

h =

V

SKLact

(1 + Y)(1 + Y0)dY

Y Y0

Y1

Y2

= HALT. NATc (12)

Dnde:

HALT= altura de la unidad de transferencia global referida a la fase liquida como un

todo.

NATc = Nmero de unidades de transferencia global referido a la fase liquida como un

todo.

Si se tratase de mezclas diluidas se debe cumplir:

1>> Y; 1>> Y0

Por lo que las ecuaciones (11) y (12). Tomaran las formas siguientes ms

simplificadas:

h =

V

SKGaP

dY

Y Y0

Y1

Y2

= HAGT. NAT (13)

h =

V

SKLact

dY

Y Y0

Y1

Y2

= HALT. NAT (14)

En donde NAT representa el nmero de unidades de transferencia global, referido

a la fase fluida como un todo.

Las ecuaciones (11) a (14) nos permiten calcular la altura eficaz de una columna de

relleno para llevar a cabo estas operaciones de adsorcin, desadsorcin siguiendo

mtodos de clculos similares en apartados anteriores. [15]

30

6. APLICACIONES

5.1 Industria alimentaria

Decoloracin en la industria azucarera

Decoloracin de aceites en la refinacin

5.2 Ingeniera ambiental

Desulfuracin del gas natural ( eliminacin de H2S)

Eliminacin de agua de efluentes gaseosos (secado)

Eliminacin de olores e impurezas desagradables de gases industriales

como el dixido de carbono o del aire

Recuperacin de potabilizacin organica de aguas

- Control de sabor y olor

- Eliminacin de microcontaminantes

- Eliminacin de exceso de desinfectante ( cloro , ozono)

Depuracin de aguas residuales: tratamiento terciario.

Hay que destacar que en la industrial ambiental la adsorcin cumple un papel

importan te como lo es en el tratamiento de aguas. Elevadas concentraciones

de nitrgeno en efluentes pueden ocasionar serios problemas ambientales;

como reduccin de la concentracin de oxgeno disuelto n aguas, toxicidad en

la vida acutica, peligros en la salud pblica y disminucin del potencial de

reutilizacin el agua residual. Por esto se busca bajar la concentracin biolgica,

utilizando zeolita natural clinoptiolita como agente adsorbente y microorganismo

anxicos presente en lodos activados (METCALF Y EDDY, 1996). En la tabla 1.

Se ilustran el uso de algunos adsorbentes utilizados en algunos procesos

industriales. [16]

Adsorbentes Usos industriales Importantes

Tierra de Fuller Decoloracin de fracciones del petrleo, de aceites comestibles

Bauxita Percoloracin de fracciones del petrleo, deshidratacin

Cabn de huesos Refino de azcar

Carbon activado Decoloracin de sustancias orgnica e inorgnicas, recuperacin de disolventes, eliminacin de olores industriales y gases nocivos, purificacin de gases industriales, caretas antigs, purificacin de hidrocarburos, hipersorcin

Almina activada Deshidratacin de gases y lquidos

Gel de Silice Deshidracin y purificacin de gases, caretas antigs

Tamices moleculares

Adsorcin selectiva de molculas polares tales como H2O, CO2, NH3, C2H2, HsS y SO2

Tabla 2. Usos de Adsorbentes en la industrial.

31

7. CONCLUSIN

Las temperaturas bajas y presiones altas son las adecuadas para el proceso

de adsorcin, por otro lado las temperaturas altas y presiones bajas son

favorables para el proceso de desorcin.

Los experimentos sobre adsorcin que con ms frecuencia se realizan

consisten en la medida de la relacin entre la cantidad de gas o lquido

adsorbido, sobre una determinada cantidad de adsorbente. Estas medidas

se realizaran a una temperatura constante y los resultados se representan

grficamente en las llamadas isotermas de adsorcin.

La adsorcin es utilizada en la purificacin de corrientes lquidas o gaseosas,

de igual manera tambin es utilizable en la decoloracin as como para

eliminar el sabor y olor de diversas sustancias que quedan finamente

retenidas por los poros del adsorbente.

A temperatura constante, la cantidad adsorbida aumenta con la

concentracin de adsorbato y la relacin entre la cantidad adsorbida (x) y la

concentracin (C) de la disolucin en el equilibrio, se conoce como isoterma

de adsorcin. Slo a muy bajas concentraciones x es proporcional a C. Por

lo tanto, la cantidad adsorbida se incrementa menos de lo que indicara la

proporcionalidad a la concentracin, lo que se debe a la gradual saturacin

de la superficie.

Para las operaciones de adsorcin, los equipos ms utilizados son las

columnas de lecho fijo. Permitiendo que las partculas posibiliten 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, experimentando de esta manera la

mayor cantidad de cada de presin en el proceso.

A mayor concentracin en las soluciones, mayor ser la cantidad de soluto

adsorbida cuando se mantiene la cantidad de adsorbente constante.

32

8. RECOMENDACIONES

Para llevar a cabo procesos de adsorcin es recomendable la utilizacin de

carbn activado pulverizado en vez del granular. Aunque el tamao de las

partculas del carbn no influye directamente en la adsorcin resulta

provechoso el empleo de carbn pulverizado debido a que este material

poroso proporciona datos de adsorcin de manera eficiente y en un corto

tiempo, debido a la velocidad por llegar al equilibrio.

Entre las isotermas empleadas para ajustar los datos experimentales de

adsorcin se tienen la Isoterma de Freundlinch y la Isoterma de B.E.T Sin

embargo, para representar la adsorcin cuando esta es del tipo I y adems

es fsica es apropiado utilizar la isoterma de Freundlich. Por otro lado,

cuando la adsorcin es del tipo II y la misma es qumica es recomendable

aplicar la Isoterma de B.E.T

Cuando se emplean adsorbentes como es el caso del carbn activado, gel

de slice o almina para llevar a cabo los procesos de adsorcin es

recomendable el empleo de filtros especiales lo que permitir obtener una

filtracin ms eficiente.

33

9. BIBLIOGRAFIA

[1] Operaciones Unitarias en Ingeniera Qumica, Warren L. McCabe, Editorial Mc

Graw Hill Interamericana, Sptima Edicin, pgs. 547, 875.

[2] Equipament for Engineering Education (1).INGENIERIA DE PROCESOS

TERMICOS, ABSORCION Y ADSORCION. [En lnea] [Citado el: 25 de Mayo del

2015] http://www.gunt.de/download/absorption_spanish.pdf

[3] Serrano Lastre Ina yadith (1). DISEO Y SIMULACIN DE COLUMNAS DE ADSORCIN DE CROMO DE AGUA TRATADAS DE TENERAS UTILIZANDO ADSORBENTES DESARROLLADOS EN PASES IBEROAMERICANOS. [En lnea] 2004. [Citado el: 25 Mayo del 2015] http://repositorio.uis.edu.co/jspui/bitstream/123456789/6284/2/113804.pdf [4] Castellar Ortega Grey (1), Cardozo arrieta Beatriz (2), Suarez Guerrero Jhon (3),

Vega Taboada Javier (3).ADSORCION POR LOTE Y EN UNA COLUMNA DE

LECHO FIJO DEL COLORANTE B39 SOBRE CARBON ACTIVADO GRANULAR.

[En lnea] 2013. [Citado el: 25 de Mayo 2015]

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AdsorcionPorLoteYEnUnaColumnaDeLechoFijoDelColoran-4697727.pdf

[5] Universidad de Crdoba, Espaa. (1) ADSORCIN DE GASES POR SOLIDOS.

ISOTERMAS DE ADSORCIN- DESORCION.POROSIDAD. [En lnea] [Citado el:

25 de Mayo del 2015] http://www.uco.es/~iq2sagrl/TranspAdsGases.pdf

[6] McCABE, W. y SMITH, J. YHARRIOT,P. 2002. Operaciones Unitarias en

Ingeniera Qumica. Espaa : Mc Graw Hill, 2002. pgs. 877-913.

[7] MADDOX, R Y HINES, A. 1987. Transferencia de masa ,fundamentos y

aplicaciones. Primera. Mxico : Prentice Hall Hispanoamericana, 1987. pgs. 481-

521.

[8] TREYBALL, R. 1988. Operaciones de Trasnferencia de Masa. Segunda.

Mxico : Mc Graw Hill, 1988. pgs. 625-713.

[9] Fonseca, Rafael. 2006. Textos Cientificos.com. [En lnea] 25 de 06 de 2006. [En lnea] [Citado el: 27 de 05 de 2015.] http://www.textoscientificos.com/quimica/carbon-activo/materiales-adsorbentes. [10] Montoya, Laura. 2007. Universidad Nacional Abierta y a Distancia. Universidad Nacional Abierta y a Distancia. [En lnea] 03 de 09 de 2007. [Citado el: 27 de 05 de 2015.] http://datateca.unad.edu.co/contenidos/211617/IPA/leccion_71_torres_de_adsorcion.html.

34

[11] McCabe, Warren. 2007. Operaciones Unitarias en Ingenieria Quimica. Mexico

D.F : Mc Graw Hill, 2007. Septima Edicion.

[12] Anspach, F.B. 1999. Chromatogr. California : Deckerwer, 1999. [13] McCreath, G.E. 1995. Biotecnologia en Ingenieria. Whashinton : Bioeng, 1995.

[14] Ruthven, D.M. 1984. Principles of Adsortion and Adsortion Processes. Nueva York : Waley, 1984. [15] Martnez P., Rus, E. (2004). Operaciones de Separacin en Ingeniera Qumica

Mtodos de Clculo. Pearson Educacin, S.A. Madrid: Espaa. Pg. 320- 323.

[16] Metcalf y Eddy Inc., 1994. Ingeniera de aguas residuales, tratamiento vertido

y reutilizacin. [En lnea] 08 de 12 de 2001. [Citado el: 30 de 05 de

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naci%C3%B3n+del+aire+por+la+industria.+Editorial+Reverte.+Universidad+de+Ba

rcelona;&hl=es&sa=X&ei=YFprVaziCoOCsAWnk4HoBQ&ved=0CCQQ6wEwAA#v

=onepage&q=Contaminaci%C3%B3n%20del%20aire%20por%20la%20industria.

%20Editorial%20Reverte.%20Universidad%20de%20Barcelona%3B&f=false

[17] Parker, A. (2001). Contaminacin del aire por la industria. Universidad de

Barcelona. [En lnea] 4 de 12 de 2001. [Citado el: 30 de 05 de 2015]

https://books.google.com.co/books?id=LHSI6tJfpoIC&printsec=frontcover&dq=Con

taminaci%C3%B3n+del+aire+por+la+industria&hl=es&sa=X&ei=V1xrVeuQHYrQtQ

WG8ILwDQ&ved=0CBwQ6wEwAA#v=onepage&q=Contaminaci%C3%B3n%20del

%20aire%20por%20la%20industria&f=false

35

ANEXO 1.

Ejercicio 25.1 (Operaciones unitarias en ingeniera Qumica, 7ma edicin.

Warren L. McCabe):

Se utiliza o se emplea adsorcin con carbn BPN, para tratar una corriente de aire

que contiene 0,2% n-hexano a 20C.

I. Estime la capacidad de equilibrio para la operacin de un lecho fijo a 20C.

II. Cunto disminuir la concentracin si el calor de adsorcin aumentase la

temperatura a 40C?

DATOS:

MMn_hexano= 87,17 g/ mol

Temperatura de ebullicin= 68,7C.

Presin de vapor a 20C- 120mmHg y a 40C 276mmHg

Densidad = 0,615 g/cm3

Presin P es de 760 mmHg

= 0,002x 760 =1,52 mmHg

Volumen molar =86,17

0,615= 140,1 3/

a)

=

293

140,1

120

1,52= 3,97

Llevndose a la figura siguiente se encuentra que el volumen adsorbido de

contaminante es de 31 cm3 por cada 100g de carbn

36

Figura 1. Correlacin de adsorcin para carbn BPL

W= 0,31 x 0,615 =0,19 g/g carbn.

b)

=

313

140,1

276

1,52= 5,05

Entonces el volumen es de 27 cm3

W= 0,27 x 0,615 =0,19 g/g carbn.

37

ANEXO 2

Ejercicio 25.2 (Operaciones unitarias en ingeniera Qumica, 7ma edicin.

Warren L. McCabe):

La adsorcin de n-butanol contenido en aire se ha estudiado en un pequeo lecho

fijo (10,16 cm de dimetro) con 300 y 600 g de carbn, correspondientes a

longitudes de lecho de 8 y 16 cm.

I. A partir de los datos para la concentracin del efluente, estime la capacidad

de saturacin del carbn, y la fraccin de lecho utilizado en C/Co =0,5.

II. Prediga el tiempo del punto de ruptura para una longitud de 32cm.

DATOS:

Velocidad superficial Uo = 58 cm/s.

Dp = 0,37cm; Co = 365 ppm

S = 1194 m2/g

T = 25C

Densidad del lecho = 0,461 g/cm3

P = 737mmHg

= 0,457

39

La velocidad de alimentacin del soluto

FA=oCoMMn-hexano

FA =58

(

36510 6

22400

273

298

737

760)

3

74,12

= 6,2210 5

2 0,224

2

Tiempo de adsorcin

(1

) = 4,79

8,5

0

Masa de carbono por unidad de rea

=0,2244,79

3,69=

0,291

Para el otro

(1

) = 2,37

2,4

0

=0,2242,37

3,69=

0,144

Cantidad adsorbida hasta el punto de rupturas

=

0,144

0,291= 0,495

= (1

) = 8(0,505) = 0,404

(1

) = 9,59

13

0

40

=0,2249,59

16 0,461=

0,291

(1

) = 7,07

7,1

0

=0,2247,07

16 0,461=

0,215

Cantidad adsorbida hasta el punto de ruptura

=

0,215

0,291= 0,739

b) Para un lecho de 32 cm

=

27,9

32= 0,872

=(/)

=

27,9 0,461 0,291

0,224= 16,7

41

ANEXO 3.

Ejercicio 25.3 (Operaciones unitarias en ingeniera Qumica, 7ma edicin.

Warren L. McCabe):

Considere la adsorcin sobre carbn activado para el tratamiento de un proceso de

vapor de aire que tiene 0.12% en volumen de metiletilcetona (MEK). El gas est a

25 C a 1 atm, y el flujo es 16 000 ft3/min. La cada de presin transversal al lecho

no debe exceder 12 in. de H2O. a) Si se utiliza carbn BPL 4 X 10 mallas, prediga

la capacidad de saturacin y la capacidad de trabajo si la temperatura promedio del

lecho es de 35 C y la regeneracin se detiene cuando W = 1/3 Wsat. b) Qu

velocidad de gas y tamao de lecho hay que utilizar para obtener un tiempo de ciclo

razonable si la longitud de lecho no utilizado es 0.5 ft? Cunto carbn se necesita?

A partir de los manuales se obtienen los siguientes datos:

P =fs=151mm de hg a 35 C

L= 0,805 g/cm3 a 20C

El punto de ebullicin normal es de 79,6C, y la densidad estimada a esta

temperatur es de 0,75 g/cm3. El peso molecular es de 72,1.

=

=

72,1

0,75= 96,1

=0,0012*760=0,912 mmHg = f

Ahora s necesario determinar la relacin

=

308

96.1

151

0,912= 7.11

Con este valor anterior se ubica el punto en la figura 1, de correlaciones de

adsorcin, para determinar el volumen adsorbido. Que fue de 24 cm3 por cada 100g

de carbn.

Wsat= 24(0,75)=18g/100g de carbn

W0= 1

3 = 24(0,75) =

6g

100gde carbon

La capacidad de trabajo =Wsat- W0=12g/100g de carbn= 0,12lb/lb de carbn.

b) probando con 0 = 1 ft/s, entonces se tiene que:

42

=160003

60

1

1 /= 267 2

Para una seccin transversal circular, D=18,4 ft. Un lecho rectangular de 10 ft*27 ft

puede se mas adecuado si el espesor del lecho es solo de 2 a 4 ft. Trate con L=4 ft.

A partir de la ecuacin

( )

0

A 25 C

=0,0012

359

273

298 72,1 = 2,21 10 4 /3

30 4 0,12

1 2,21 10 4= 6,52 10 4

S= 18,1 h

Si la longitud del lecho es de 3 ft con 2,5 ft utilizados,

=2,5

4(18,1) = 11.3

Permitiendo incertidumbre en los clculos, una longitud del lecho de 3 ft seria

satisfactoria con una regeneracin para un desplazamiento de 8 h

Compruebe P utilizando la ecuacin de Ergun. Para carbn granular, suponga que

s=0,7. Suponga tambin que la fraccin de vacio externa es =0,35. Las

propiedades del aire a 25C son

= 0,018 = 1,2110 5

Segn Perry, 7 ed., p.19-20, son para carbn {de 4 10 mallas,

=4,76 + 2.0

2= 3,29 2/

=

150 1.0 1,2110 5

32,2 0,7 (1,108 10 2)

0,652

0,353+

1,75 (0,07410 2)

32,2 0,7 0,011108

0,65

0,353

= 17,09

2

43

Para L = 3 ft, P = 9.9 en H2O, lo cual es satisfactorio. Una velocidad de 1.5 ft/s

dara P/L = 6.06 in. H2O/ft y requiere L 2 ft para mantener P < 12 in. H2O. Sin

embargo, el tiempo de ruptura ser reducido a 11.3/1.5 * (1.5/2.5) = 4.5 h, y el lecho

tender a ser regenerado el doble en cada desplazamiento. Este diseo resulta

satisfactorio pero no da un margen de error grande.

El diseo recomendado es para dos lechos de 10 * 27 * 3 ft colocados en cilindros

horizontales. El inventario total de carbn es

mc=2(270*3)ft3 *30lb/ft3=48600 lb