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Facultad de Industrias AlimentariasIngeniería de Alimentos II
I. INTRODUCCIÓN
Debido al progresivo desarrollo de las diferentes industrias, se están elevando la
producción los subproductos o derivados de las cadenas manufactureras. La emisión de
grandes volúmenes de dióxido de carbono, como resultado del crecimiento económico e
industrial, hacia la atmosfera, provocando un mayor efecto en el cambio climático, o el
deseo de obtener sustancias con menor cantidad de agua, o menor cantidad de
elementos traza, o compuestos orgánicos volátiles, para la elaboración de un producto de
mejor calidad ha permitido el desarrollo de una tecnología que sea capaz de responder a
estas necesidades en las diversas industrias.
La adsorción es un proceso mediante el cual las moléculas de un soluto, gas o líquido son
transferidas hacia una superficie sólida, en la cual estas moléculas son retenidas como
resultado de las interacciones que se producen entre ellas y la superficie adsorbente.
La adsorción con oscilación térmica se caracteriza por permitir una cantidad de moléculas
retenidas por el absorbente dependiente de la temperatura, en una razón inversa para
determinadas condiciones de presión y concentración del gas, y dentro de sus beneficios
esta la baja capacidad de retención luego de la desorción por parte del absorbente, es
decir, una baja carga residual; menos costoso; y permite el almacenamiento de grandes
cantidades de adsorbato.
La adsorción con oscilación de presión, en cambio, es dependiente de la presión, en una
razón directa, para determinadas condiciones dadas de temperatura y concentración del
gas. Este tipo de sistemas se caracteriza por elevadas cargas residuales, bajas cargas de
operación, es decir, una disminuida capacidad de almacenamiento.
La adsorción con oscilación al vacío, en cambio, opera a temperatura y presión casi
ambiente. La simplicidad del proceso de adsorción por oscilación al vacío puede permitir
una mayor eficiencia y ahorro de costes, y menos mantenimiento que los otros sistemas.
El objetivo del siguiente trabajo es conocer los fundamentos y las diversas aplicaciones de
sistemas de adsorción por oscilación térmica, a presión y de vacío.
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II. REVISIÓN DE LITERATURA
2.1. Adsorción por Oscilación térmica
Los procesos de adsorción por oscilación térmica se caracterizan por bajas cargas
residuales (tras la desorción, el adsorbente retiene muy poco adsorbato) y elevadas
capacidades de operación (es capaz de almacenar grandes cantidades de adsorbato).
Estas capacidades elevadas y concentraciones reducidas permiten tiempos de ciclo
largos (de horas a días). Los tiempos de ciclo largos son necesarios porque las partículas
de adsorbente responden lentamente a las variaciones de temperatura en el gas, debido a
la gran inercia térmica del adsorbente (USEPA, 1999).
El sistema tradicional de adsorción con carbón utiliza vapor para elevar la temperatura del
COV adsorbido y evaporarlo del carbón después de que éste ha adsorbido el COV. A esto
se le ha llegado a conocer como un sistema de regeneración por oscilación térmica. Se le
llama así, porque durante la regeneración la temperatura generalmente oscila entre la del
ambiente y los 121° a 177 °C. Un sistema de regeneración por oscilación térmica se
muestra esquemáticamente en el diagrama de la figura 1.
Figura 1. Sistema de Adsorción por oscilación Térmica (Regeneración con Vapor)
Fuente: USEPA (1999)
USDA (2008), agrega que algunas ventajas que se han encontrado en relación a otros
procesos son:
Trabaja a presiones inferiores a 4 bares.
Los costos de operación en este sistema son menos caros.
Se alcanza una alta pureza de los productos con este sistema.
Tiempos de ciclo largos
Muy baja carga residual, después de la desorción del absorbato.
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La adsorción por oscilación de temperatura es ampliamente utilizada para el secado de
aire, eliminación y remoción de olores y dióxido de carbono, y para la eliminación de
cantidades traza de compuestos orgánicos procedentes de gases de ventilación que
utilizan carbón activado como adsorbente. El carbón activado puede entonces ser
regenerado con vapor.
2.1.1. Aplicaciones de la Adsorción por Oscilación Térmica
a) Deshidratación del Gas Natural
El tema de la deshidratación del gas natural (GN) está estrechamente relacionada con el
almacenamiento de gas natural. Hay dos razones básicas por almacenamiento de gas
natural es importante. En primer lugar, se puede reducir la dependencia del suministro de
gas natural. Con esto en mente, se crean reservas estratégicas nacionales. En segundo
lugar, el almacenamiento GN permite la capacidad máxima de las líneas de distribución
para ser explotado. GN se almacena en los períodos de verano, cuando hay una menor
demanda de ella, y se retira en los períodos de invierno, cuando se utilizan grandes
cantidades de gas natural para la calefacción. Almacenamientos subterráneos de gas
(UGS) son la opción más ventajosa para el almacenamiento de grandes volúmenes de
gas (USEPA, 1999).
USEPA (1999), dice que dependiendo de la época del año y la ubicación geográfica, si la
temperatura de las paredes de tuberías o tanques de almacenamiento disminuye por
debajo de la temperatura de rocío de los vapores de agua presentes en el gas, el agua
comienza a condensarse en las superficies frías, y pueden aparecer los siguientes
problemas:
El gas natural en combinación con el agua líquida puede formar hidrato de metano.
El hidrato de metano es un sólido en el que está atrapado una gran cantidad de
metano dentro de cristales de agua, formando un sólido similar al hielo. La
producción de hidrato de metano a partir de una cantidad unitaria de agua es más
alta que la formación de hielo. Los hidratos de metano que se forman por el
enfriamiento pueden tapar las válvulas, los accesorios e incluso tuberías.
GN disuelto en el agua condensada es corrosivo, especialmente cuando contiene
CO2 o H2S.
El agua condensada en la tubería provoca flujo de lodo y erosión.
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El vapor de agua aumenta el volumen y disminuye el valor de calentamiento del
gas.
GN con la presencia de vapor de agua no puede ser operado en plantas
criogénicas.
Uno de los métodos para la deshidratación es la adsorción de agua por un desecante
sólido. En este método, el agua es generalmente adsorbida sobre un tamiz molecular, en
un gel de sílice o en alúmina.
La cantidad de moléculas de agua adsorbidas aumenta con la presión del gas y disminuye
con su temperatura. Estos hechos se tienen en cuenta cuando los parámetros de proceso
están diseñados. Columnas de deshidratación por adsorción siempre funcionan
periódicamente. Se utilizan un mínimo de dos sistemas de lecho. Típicamente una cama
seca el gas mientras que el otro está siendo regenerado. La regeneración se lleva a cabo
por gas precalentado, o por parte de la deshidratado GN (USDA, 2008).
En las aplicaciones clásicas, el calentador de TSA se realiza como un quemador de
ordinario o como un intercambiador de calor de carcasa y tubos calentados por vapor o
aceite caliente. El gas de regeneración se calienta en el calentador y desemboca en la
columna. En la columna pasa a través del adsorbente y desorbe el agua en el gas de
regeneración. El gas de regeneración de agua saturado luego desemboca en el
refrigerador. El enfriador por lo general utiliza aire frio para disminuir la temperatura del
gas de regeneración. Cuando se enfría el gas de regeneración de agua saturado, la
condensación parcial del agua se produce. El gas de regeneración es conducido hacia el
separador, donde se elimina el agua condensada (Parker, 1983).
Figura 2. Esquema de la Deshidratación de Gas Natural
Fuente: USEPA (1999)
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b) Purificador sin válvula por Adsorción por oscilación de temperatura para la
producción de biogás a partir de estiércol animal
Para mejorar significativamente la conversión de los residuos estiércol en biogás a gas
natural de alto valor, tenemos la intención de llevar a cabo el desarrollo inicial de un
innovador purificador de adsorción por oscilación térmica que elimina válvulas y
proporciona eliminación continua de las concentraciones masivas de dióxido de carbono a
aproximadamente 50 ppm a partir de biogás con aproximadamente 65 por ciento de
metano y dióxido de carbono 32 por ciento. La demostración con éxito de esta innovación
debe reducir sustancialmente los costos de capital y de operación de purificación de
biogás a partir de residuos animales distribuidos a escala para proyectos de energía de
alto valor (Parker, 1983).
2.2. Adsorción por oscilación de presión (PSA)
Se han consolidado como procesos de adsorción para la purificación en tan solo tres
décadas. Los secadores de PSA se llevan utilizando durante años a escala industrial para
la deshumidificación del aire comprimido. A finales de los años 50, Skarstrom (1960)
inventó el primer proceso de adsorción realmente cíclico para secar el aire: el secado sin
calor o adsorción por oscilación de presión (PSA). Skarstrom (1972) revisó el desarrollo
del secado sin calor en 1972. White (1988) describió varias metodologías que originaron
principios de diseño para la purificación del aire a través de la PSA. La introducción de los
sistemas de PSA en las unidades ASU es un tema de estudio reciente.
Los sistemas de PSA, al igual que los sistemas de TSA con entrada de aire a
temperatura ambiente, funcionan sin intercambiadores DCAC ni preenfriamiento.
Para su regeneración no es necesario el calor externo. El funcionamiento de un sistema
de PSA consta de las siguientes fases:
1. Despresurización de la primera capa hasta alcanzar la presión atmosférica.
2. Regeneración de la primera capa con gas seco a baja presión.
3. Represurización de la primera capa hasta alcanzar la presión de entrada con gas seco.
4. La primera capa pasa a la entrada.
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Figura 3: Sistema de PSA
Es importante tener en cuenta que, a diferencia de los sistemas de TSA, el ciclo operativo
de un sistema de PSA es corto, aproximadamente de 20 minutos. Al finalizar el tiempo de
entrada o de funcionamiento descritos anteriormente, se despresuriza la primera capa. La
despresurización reiterada de los sistemas de PSA conlleva la liberación de aire
presurizado a la atmósfera. Este hecho se conoce como "pérdida de carga" y repercute
negativamente en el consumo de energía del compresor de aire principal (MAC) de la
unidad ASU. Por tanto, es recomendable que el sistema de PSA funcione durante el
mayor tiempo posible, lo que puede lograrse con adsorbentes de PSA mejorados
2.2.1. Aplicaciones de PSA
Una de las aplicaciones principales de PSA está en la eliminación de dióxido de
carbono como el paso final en la síntesis comercial a gran escala de hidrógeno para su
uso en refinerías de petróleo y en la producción de amoniaco. Las refinerías a menudo
utilizan la tecnología PSA en la eliminación de sulfuro de hidrógeno a partir de
alimentación de hidrógeno y reciclan corrientes de hidrotratamiento e hidrocraqueo
unidades. Otra aplicación de PSA es la separación de dióxido de carbono de biogás
para aumentar el contenido de metano. A través de PSA el biogás se puede actualizar
a una calidad similar a la del gas natural.
Unidades de generador de nitrógeno emplean la técnica de PSA para producir gas
nitrógeno de alta pureza a partir de un suministro de aire comprimido.
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La investigación está en marcha para PSA para capturar CO2 en grandes cantidades
de las plantas eléctricas de carbón antes de geosequestration, con el fin de reducir la
producción de gases de efecto invernadero a partir de estas plantas.
PSA es una opción económica para la producción a pequeña escala de oxígeno pureza
razonable o nitrógeno del aire. La tecnología de PSA tiene un uso importante en la
industria médica para producir oxígeno, particularmente en las partes remotas o
inaccesibles del mundo donde de almacenamiento a granel cilindro criogénico o
comprimido no es posible.
PSA también se utiliza en los sistemas de prevención de incendios de aire hipóxico
para producir aire con un bajo contenido de oxígeno.
PSA también se utiliza en una planta de propileno a través de propósito en la
deshidrogenación de propano. Consiste en un medio selectivo para la adsorción
preferente de metano y etano durante hidrógeno.
PSA también ha sido discutido como una alternativa de futuro para la tecnología
absorbente no regenerable utilizado en traje LifeSupportSystems primarios del espacio,
con el fin de ahorrar peso y prolongar el tiempo de funcionamiento del mismo.
Figura 4. Proceso TSA y PSA.
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2.3. Adsorción por oscilación de vacío (VSA o VPSA)
La adsorción por oscilación de vacío (VSA) es una tecnología no criogénica de
separación de gases. Usando sólidos especiales, o adsorbentes (zeolitas), la tecnología
VSA segrega los gases de una mezcla gaseosa bajo presión mínima de acuerdo a las
características moleculares y afinidad por los adsorbentes de las especies. Estos
adsorbentes forman un tamiz molecular y adsorben preferentemente las especies
gaseosas objetivo (oxígeno, CO2, N2, etc.) a una presión cercana a la ambiental. El
proceso luego cambia a presión de vacío para regenerar el material adsorbente (UNEP,
2010).
2.3.1. VPSA para generación de oxígeno
Un diagrama simplificado para un sistema VPSA para producir oxígeno se ilustra en la
figura 5. El adsorbente está contenido en tres contenedores verticales. Los lechos están
ciclados de tal manera que uno está en modo de adsorción mientras otro está siendo
despresurizado y el tercero está en modo de desorción o siendo regenerado. Los
sistemas de dos lechos o tres lechos, ambos son usados.
2.3.1.1. Descripción del proceso
El aire atmosférico es comprimido a 3.5 psig con la alimentación del soplador de aire. La
corriente es luego enfriada con agua de enfriamiento para remover el calor de la
compresión. El aire de la alimentación luego entra a una combinación de filtro y
coalescedor el cual remueve partículas y gotas condensadas de agua y aceite.
La alimentación de aire entra a uno de los lechos de zeolita y fluye hacia arriba a través
del lecho. La zeolita absorbe el nitrógeno del aire y envía una corriente de oxigeno de un
90 – 95% de pureza. La corriente de oxigeno es luego comprimida, enfriada y enviada a
los límites de batería de la planta a la presión y temperatura requeridos para la aplicación
de corriente hacia abajo. Un tambor de compensación se usa para moderar las
fluctuaciones en la velocidad de flujo que ocurren como consecuencia de intercambiar los
lechos entre los modos de adsorción y regeneración.
Los lechos de zeolita que no están en el modo de adsorción son regenerados. Primero,
los dos lechos son igualados en presión. Uno de los lechos es luego regenerado a una
presión de 4.2 psia. El soplador de vacío es usado para evacuar el lecho que está bajo
regeneración. El producto de oxígeno es usado para presurizar el lecho regenerado antes
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de que sea colocado en servicio para el ciclo de adsorción. Los tres lechos están ciclados
de manera tal que una corriente continua oxigeno sea producida (Gunardson, 1998).
Figura 5. Unidad VPSA de producción de oxígeno. (Fuente: Gunardson, 1998)
2.3.2. VPSA para la captura de CO2
Xiao et al (2008) explica que hay cinco pasos básicos empleados en la mayoría de
diseños de procesos VSA, los cuales incluyen adsorción, desorción, re-presurización,
ecualización de presión y purga de producto. En la figura 3 se puede observar este
proceso esquematizado.
II.3.2.2. Descripción del proceso
En la etapa de adsorción, el CO2 es adsorbido por el adsorbente empacado en la
columna a medida de que la alimentación de gas pasa a través de la columna, mientras el
flujo de CO2 limpio se expulsa a la atmósfera.
En la etapa de desorción, el CO2 adsorbido pasa por una desorción en el lecho y es
extraído en una fase gaseosa rica en oxigeno mediante la reducción de presión a niveles
de presión de vacío o presiones inferiores a la atmosférica.
En la etapa de re-presurización, la alimentación gaseosa o parte del CO2 sin impurezas
es usado para presurizar el lecho de adsorción, desde el fondo o parte superior del lecho,
hasta que la presión en el lecho es la misma a la de la etapa de alimentación para el ciclo
siguiente.
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Figura 3. Diseño de un ciclo de adsorción por oscilación de vacío. (Fuente: Xiao et al,
2008)
La ecualización de presión es usada en sistemas VSA de múltiples lechos. Un lecho a alta
presión (generalmente luego de la adsorción) transfiere gas a un lecho que está a menor
presión (luego de la desorción al vacío) hasta que sus presiones se igualen.
Para la purga de producto, parte del producto extraído o un gas rico en CO2 es usado
para purgar el lecho antes de la etapa de desorción. Sin embargo, para obtener un
producto de alta pureza de CO2, la presión en la parte superior del lecho necesita ser
controlada a la misma presión que en el último proceso de ecualización.
II.3.3. Aplicaciones del VPSA
Algunas de las principales aplicaciones industriales del VPSA incluyen (Roque Malherbe,
2007):
Industria del hierro y el acero: Reducción directa, arcos eléctricos, hornos de
recalentamiento, etc.
Industria del no hierro: Hornos a la cabeza, industria del cobre y zinc, lixiviación
química para la extracción de minerales.
Industria del papel y pulpa: Blanqueo de oxígeno, deslignificación y generación de
ozono.
Industria química: Reacciones de oxidación química usando oxigeno reduce el gas de
ventilación y, por tanto, la energía y capital usado.
Tratamiento de aguas residuales: Oxidación húmeda, incineración y vitrificación.
Industria del vidrio: Enriquecimiento de hornos. Quemadores de oxígeno tienen una
flama más intensa, resultando en una mejor transferencia de calor, la cual reduce el
tamaño del horno y el consumo de combustible.
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Industria de alimentos: Crianza de peces y fermentación.
Cromatografía: La adsorción por oscilación de vacío se aplica a fluidos supercríticos
para fraccionar los aceites esenciales de los cítricos. En un ciclo de operación
realizado por Meirleless (2008), aplica una baja presión al aceite de color naranja el
cual pasa a través de una columna a 8.8 MPa y 313 K.
Envasado: Se separa nitrógeno por adsorción por oscilación de vacío el cual es usado
para envasar botellas de vino y cerveza. También se utiliza al envasar frutos,
vegetales, pan y queso. El nitrógeno extraído es de las plantas el cual ofrece una
flexibilidad en cuanto a cantidad y tiempo de producción de nitrógeno.
Purificación de emisiones de gases en plantas de alimentos: Se utiliza adsorción por
oscilación de vacío para purificar el aire junto con un proceso de HP; donde gases con
un considerable contenido de hidrógeno son purificados con altos rendimientos.
Evaporación de disolventes (Análisis de Alimentos): Se utiliza la tecnología de
adsorción por oscilación de vacío en el DS – PSA LCMS regenerador de Nitrógeno.
Esta tecnología funciona encontrando corrientes de gases con una presión
determinada. También se utiliza para evaporar disolventes los cuáles son utilizados en
análisis a alimentos en la Industria Alimentaria.
III. BIBLIOGRAFÍA
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