adsorcion

tecnologico de estudios superiores de ecatepec

DIVISION INGENIERIA QUIMICA Y BIOQUIMICA

LABORATORIO INTEGRAL III

ELABORADO POR:

CONTRERAS AUDIFFRED TOMAS

PRACTICA No 4

ADSORCION

TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPECDIVISIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOQUÍMICAASIGNATURA: LABORATORIO INTEGRAL IIICARRERA: INGENIERIA QUIMICA.

PRÁCTICA No. 4Título: ADSORCION

I.- RELACIÓN DE CONOCIMIENTOS:

Conocimientos requeridos Conocimientos por adquirir

Equilibrio Transferencia de calor Transferencia de masa

Isoterma de Freundlich y Langmuir

II.- OBJETIVO:

Determinar la importancia de la adsorción

Conocer un nuevo método de recuperación

III.- HIPÓTESIS:

IV.- INTRODUCCIÓN:

PROCESOS DE ADSORCIÓN

En los procesos de adsorción, uno o más componentes de una corriente de gas o de líquido se adsorben en la superficie de un sólido y se lleva a cabo una separación. En los procesos comerciales, el adsorbente generalmente tiene la forma de partículas pequeñas en un lecho fijo. El fluido se hace pasar por el lecho y las partículas sólidas adsorben componentes del fluido. Cuando el lecho está casi saturado, el flujo se detiene y el lecho se regenera térmicamente o por otros métodos, de modo que ocurre una deserción. Así se recupera el material adsorbido (adsorbato) y el adsorbente sólido queda listo para otro ciclo de adsorción.

Entre las aplicaciones de la adsorción en fase líquida están la eliminación de compuestos orgánicos del agua o de soluciones orgánicas, la eliminación de impurezas coloreadas de sustancias orgánicas y la eliminación de diversos productos de fermentación de las descargas de los fermentadores. Las separaciones incluyen la de parafinas de compuestos aromáticos y la de fructuosa de glucosa utilizando zeolitas.

Las aplicaciones de la adsorción en fase gaseosa incluyen la eliminación 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.


Marco teorico.

Propiedades físicas de los adsorbentes

Se han desarrollado muchos adsorbentes para una amplia gama de separaciones. Por lo común, los adsorbentes tienen forma de pelotitas, pequeñas cuentas o gránulos cuyo tamaño va de cerca de 0.1 mm a 12 mm, y las partículas más grandes se usan en los lechos empacados. Una partícula de adsorbente tiene una estructura muy porosa, con numerosos poros muy finos, cuyo volumen alcanza hasta el 50% del volumen total de la partícula. La adsorción suele ocurrir como una monocapa sobre la superficie de los poros, pero a veces se forman varias capas. La adsorción física, o de Van der Waals, por lo general sucede entre las moléculas adsorbidas y la superficie interna sólida del poro, y es fácilmente reversible.

El proceso de adsorción global consta de una serie de pasos. Cuando el fluido pasa alrededor de la partícula en un lecho fijo, el soluto primero se difunde desde el volumen del fluido hacia toda la superficie exterior de la partícula. Luego, el soluto se difunde hacia el interior del poro hasta la superficie del mismo. Por último, el soluto se adsorbe sobre la superficie. Así, el proceso de adsorción global es una serie de pasos.

Existen varios adsorbentes comerciales y algunos de los principales se describen en seguida. Todos se caracterizan por grandes áreas superficiales de los poros, que van desde 100 hasta mas de 2000 m2/g.

1. Carbón activado. Éste es un material microcristalino que proviene de la descomposición térmica de madera, cortezas vegetales, carbón, etc., y tiene áreas superficiales de 300 a 1200 m*/g con un promedio de diámetro de poro de 10 a 60 A. Las sustancias orgánicas generalmente se adsorben carbón activado.

2. Gel de sílice. Este adsorbente se fabrica tratando con ácido una solución de silicato de sodio y luego secándola. Tiene un área superficial de 600 a 800 m2/g y un promedio de diámetro de poro de 20 a 50 A. Se utiliza principalmente para deshidratar gases líquidos y para fraccionar hidrocarburos.

3. Alúmina activada. Para preparar este material se activa el óxido de aluminio hidratado calentándolo para extraer el agua. Se usa ante todo para secar gases y líquidos. Las áreas superficiales fluctúan entre 200 y 500 m2/g con un promedio de diámetro 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 tamaño uniforme del poro es diferente al de otros tipos de adsorbentes que tienen


una gama de tamaños de poro. Las diversas zeolitas tienen tamaños de poro que van de cerca de 3 a 10 A. Las zeolitas se usan para secado, separación de hidrocarburos y de mezclas y muchas otras aplicaciones.

5. Polimeros o resinas sintéticas. Se fabrican polimerizando dos tipos principales de monómeros. Los que se generan a partir de compuestos aromáticos como el estireno y el divinilbenceno se usan para adsorber compuestos orgánicos no polares de soluciones acuosas. Los que provienen de ésteres acrílicos se utilizan para solutos más polares en soluciones acuosas.

Relaciones de equilibrio para adsorbentes

El equilibrio entre la concentración de un soluto en la fase fluida y su concentración en el sólido se parece un poco a la solubilidad en equilibrio de un gas en un líquido. Los datos se grafican para dar isotermas de adsorción, como se muestra en la figura siguiente. La concentración en la fase sólida se expresa como q, en kg de adsorbato(soluto)/kg de adsorbente(sólido), y en la fase fluida (gaseosa o líquida) como c, en kg de adsorbato/m 3 de fluido. Los datos que siguen una ley lineal se pueden expresar mediante una ecuación parecida a la ley de Henry.

q=Kc 1

donde K es una constante determinada experimentalmente, en m3/kg de adsorbente. Esta isoterma lineal no es común, pero en la región diluida se puede usar para aproximar los datos de muchos sistemas.

La ecuación de la isoterma de Freundlich, que es empírica, a menudo sirve para aproximar los datos para muchos sistemas de adsorción físicos y es particularmente útil para líquidos.

q=K cn 2

donde K y n son constantes y se -determinan experimentalmente. En una gráfica log-log de q en función de c, la pendiente es el exponente adimensional n. Las dimensiones de K dependen del valor de n. Esta ecuación a veces se usa para correlacionar datos para hidrocarburos gaseosos en carbón activado.


La isoterma de Langmuir tiene una base teórica y está dada por la siguiente ecuacion, donde qo y K son constantes empíricas:

q=q0 c

K+c3

donde q. es una constante, en kg de adsorbato/kg de sólido, y K es una constante, en kg/m3. La ecuación se dedujo suponiendo un número fijo de sitios activos disponibles para la adsorción, que sólo se forma una monocapa y que la adsorción es reversible y alcanza una condición de equilibrio. Cuando se grafica l/q en función de l/c, la pendiente es K/q, y la intersección es l/q0.

En casi todos los sistemas de adsorción, a medida que aumenta la temperatura la cantidad adsorbida por el adsorbente va disminuyendo con rapidez, lo cual es útil porque la adsorción normalmente se hace a la temperatura ambiente y la deserción se puede efectuar aumentando la temperatura.

ADSORCIÓN POR LOTES

La adsorción por lotes se suele usar para adsorber solutos de disoluciones líquidas cuando las cantidades tratadas son pequeñas, como en la industria farmacéutica y en otras. Al igual que en muchos otros procesos, se necesita una relación de equilibrio como las isotermas de Freundlich o de Langmuir y un balance de materia. La concentración inicial de la alimentación es cF y la concentración final en equilibrio es c. Del mismo modo, la


concentración del soluto adsorbido en el sólido es qF y el valor final en equilibrio es q. El balance de materia sobre el adsórbato es

qF M +c F s=q M +cs4

donde M es la cantidad de adsorbente, en kg, y S es el volumen de la solución de alimentación, en m3. Al graficar la variable q de la ecuación 4 en función de c, el resultado es una línea recta. Si se traza la isoterma de equilibrio en la misma gráfica, la intersección de ambas líneas da los valores finales en equilibrio de q y c.

DISEÑO DE COLUMNAS DE ADSORCIÓN DE LECHO FIJO

Introducción y perfiles de concentración

Un método muy usado para la adsorción de solutos de líquidos o gases emplea un lecho fijo de partículas granulares. El fluido que se va a tratar se hace descender a través del lecho empacado a una tasa de flujo constante. La situación es más 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 dinámica global del sistema, y no sólo de las consideraciones de equilibrio.

Las concentraciones del soluto en la fase fluida y en la fase adsorbente sólida cambian con el tiempo y también con la posición en el lecho fijo conforme prosigue la adsorción. En la entrada del lecho se supone que el sólido 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 adsorción. Cuando el fluido pasa a través del lecho, su concentración va disminuyendo muy rápidamente con la distancia hasta llegar a cero mucho antes del final del lecho. El perfil de concentración al principio, en el tiempo tl, se muestra en la figura (a), donde la relación de concentraciones c/c, se gratica en función de la longitud del lecho. La concentración del fluido co es la de la alimentación y c es la concentración del fluido en un punto del lecho.

Después de cierto tiempo, el sólido que se encuentra cerca de la entrada de la torre está casi saturado, y la mayor parte de la transferencia de masa y de la adsorción sucede ahora en un punto ligeramente más 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 concentración, se ha desplazado más lejos dentro del lecho. Los perfiles de concentración que se muestran corresponden a la fase fluida. Los perfiles de concentración para la concentración de adsorbatos en el sólido son similares. En la entrada, el sólido esta casi saturado y su concentración permanece casi constante hasta la zona de transferencia de masa, donde desciende rápidamente hasta casi cero. La línea punteada correspondiente


al tiempo t3 muestra la concentración en la fase fluida en equilibrio con el sólido. La diferencia de las concentraciones es la fuerza que impulsa la transferencia de masa.

Concentración de la curva de avance

Como se ve en la figura (a), la mayor parte de la adsorción ocurre en cualquier momento en una zona relativamente angosta de adsorción o de transferencia de masa. Mientras la solución continúa fluyendo, esta zona de transferencia de masa, que tiene forma de 5, va bajando por la columna. En un tiempo dado t3 en la figura (a), cuando casi la mitad del lecho está saturado de soluto, la concentración de salida sigue siendo aproximadamente cero, como se observa en la figura (b). Esta concentración de salida sigue siendo casi cero hasta que la zona de transferencia de masa empieza a llegar a la salida de la torre en el tiempo t4. Entonces, la concentración de salida empieza a elevarse, y en t5 llega a cb, que se llama punto de ruptura.

Después de que se alcanza el punto de ruptura, la concentración c se eleva muy rápidamente hasta el punto Cd, que es el final de la curva de avance donde el lecho pierde su efectividad. La concentración de punto de ruptura representa el máximo que se puede descartar y se suele tomar como 0.01 hasta 0.05 para cb/cq. El valor cd, se toma como el punto donde cd es aproximadamente igual a c.


En una zona angosta de transferencia de masa, la curva de avance es muy marcada y la mayor parte de la capacidad del lecho se ha usado ene1 punto de ruptura. Esto permite un uso eficiente del adsorbente y disminuye el costo de energía para la regeneración.

Capacidad de la columna y el método de diseño para su aumento de escala

El ancho y la forma de la zona de transferencia de masa dependen de la isoterma de adsorción, de la tasa de flujo, de la tasa de transferencia de masa hacia las partículas y de la difusión en los poros. Se han publicado varios métodos teóricos que predicen la zona de transferencia de masa y los perfiles de concentración en el lecho. Los resultados pronosticados pueden ser inexactos a causa de muchas incertidumbres debidas a los patrones de flujo y a las correlaciones para predecir la difusión y la transferencia de masa. Por tanto, se necesita hacer experimentos a escala de laboratorio para determinar los resultados.

Se puede demostrar que la capacidad total o estequiometria de la torre de lecho empacado, cuando el lecho completo alcanza el equilibrio con la alimentación, es proporcional al área entre la curva y una línea en c/c, = 1 .O como se muestra en la figura siguiente. El área total sombreada representa la capacidad total o estequiometria del lecho como sigue:

t t=∫0

∞

(1− cco

)dt 5

donde tt es el tiempo equivalente a la capacidad total o estequiometria. La capacidad utilizable del lecho hasta el tiempo de punto de ruptura tb, es el área cuadriculada.


t u=∫0

t b

(1− cco

)dt 6

donde tu es el tiempo equivalente a la capacidad utilizable o el tiempo en el cual la concentración del efluente alcanza su máximo nivel permisible. El valor de t, suele ser muy cercano al de tb. La relación tu/tt es la fracción de la capacidad o longitud total del lecho utilizada hasta el punto de ruptura. Así, para una longitud total del lecho de HT m, HB es la longitud del lecho utilizada hasta el punto de ruptura

HB=tu

t t

HT 7

La longitud del lecho no usado HUNB en m, es entonces la fracción no usada multiplicada por la longitud total.

HUNB=(1−tu

t t)HT 8

HUNB representa la sección o zona de transferencia de masa; depende de la velocidad del fluido y es esencialmente independiente de la longitud total de la columna. Es por eso que el valor de HUNB se puede medir a la velocidad de diseño en una columna de laboratorio de diámetro pequeño empacada con el adsorbente deseado. Después, el lecho adsorbente a escala completa se diseña simplemente calculando primero la longitud del lecho necesaria para lograr la capacidad utilizable requerida, HB, en el punto de ruptura. El valor de HB es directamente proporcional a tb. Por consiguiente, la longitud HUNB de la sección de transferencia de masa simplemente se suma a la longitud HB necesaria para obtener la longitud total, HF

HT=HUNB+H B 9

Este procedimiento de diseño se usa con mucha frecuencia y su validez depende de que las condiciones en la columna de laboratorio sean semejantes a las de la unidad a escala real. La unidad de diámetro pequeño debe estar bien aislada para parecerse a la torre de diámetro grande, que trabaja adiabáticamente. La velocidad de masa en ambas unidades debe ser igual y el lecho debe tener la longitud suficiente para contener una zona de transferencia de masa en estado estacionario. La dispersión axial o la mezcla axial pueden no ser exactamente iguales en las dos torres, pero con el cuidado necesario, este método de diseño es muy útil.


Un procedimiento alterno aproximado que se puede usar en lugar de integrar y obtener áreas, es suponer que la curva de avance de la figura anterior es simétrica en c/c 0 = 0.5 y ts. Entonces, el valor de tt, de la ecuación 5 es simplemente ts. Esto implica que el área bajo la curva entre tb y ts es igual al área sobre la curva entre ts y td.

Al aumentar la escala quizá no sólo sea necesario modificar la altura de la columna, sino que también el gasto real de fluido con respecto al que se usa en la unidad piloto. Como la velocidad de masa en el lecho debe permanecer constante al aumentar la escala, el diámetro del lecho debe ajustarse para conservarla constante.

Los sistemas de adsorción de gas típicos usan lechos fijos de cerca de 0.3 m a 1.5 m de alto con circulación descendente del gas. Se emplean velocidades superficiales de gas bajas, de 15 a 50 cm/s (0.5 a 1.7 pie/s). El tamaño de las partículas adsorbentes fluctúa de la malla 4 a la 50 (0.3 a 5 mm). Las caídas de presión son bajas y sólo hay unas cuantas pulgadas de agua por pie de lecho. El tiempo de adsorción es desde 0.5 h hasta más de 8 h. Para los líquidos, la velocidad superficial del líquido en el lecho es de 0.3 a 0.7 cm/s (4 a 10 gpm/pie2).

Modelos básicos para predecir la adsorción

La adsorción en lechos fijos es el método más importante que se utiliza para este proceso. Un lecho fijo o empacado consta de un tubo cilíndrico vertical lleno o empacado con partículas adsorbentes. Los adsorbentes se diseñan principalmente según los datos de laboratorio. Se describiran las ecuaciones básicas para la adsorción isotérmica, a fin de que se entiendan mejor los fundamentos de este proceso.

El balance de materia del soluto en estado no estacionario en el fluido es como sigue para una sección de longitud dz del lecho.

ε∂ c∂ t

+(1−ε ) ρp∂ q∂ t

=−v∂ c∂ z

+E∂2

∂ z2 10

donde E es la fracción vacía externa del lecho; v es la velocidad superficial en el lecho vacío, en m/s; ρp es la densidad de partícula, en kg/m3, y E es un coeficiente de dispersión axial, en m2/s. El primer término representa la acumulación de soluto en el líquido. El segundo término es la acumulación de soluto en el sólido. El tercer término representa la cantidad de soluto que fluye por convección hacia la sección dz del lecho menos la que fluye hacia afuera. El último término representa la dispersión axial de soluto en el lecho que provoca la mezcla de soluto y disolvente.

La segunda ecuación diferencial que se necesita para describir este proceso relaciona el segundo término de la ecuación anterior para la acumulación de soluto en el


sólido, con la tasa de transferencia de masa externa del soluto del volumen de solución a la partícula y la difusión y adsorción sobre el área superficial interna. La adsorción física real es muy rápida. La tercera ecuación es la isoterma de equilibrio.

Existen muchas soluciones a estas tres ecuaciones que son no lineales y acopladas. Con frecuencia, estas soluciones no concuerdan bien con los resultados experimentales y no se analizan aquí.

Variables de proceso y ciclos de adsorción

Los procesos de adsorción a gran escala se pueden dividir en dos amplias clases. La primera y más importante es el sistema cíclico por lotes, en el cual el lecho fijo de adsorción se satura y se regenera alternativamente de manera cíclica. La segunda es un sistema de flujo continuo que implica un flujo continuo de una contracorriente de adsorbente hacia un flujo de alimentación.

Hay cuatro métodos básicos de uso común para el sistema de adsorción cíclico por lotes en lechos fijos. Estos métodos difieren uno de otro principalmente por los medios que se usan para regenerar el adsorbente después del ciclo de adsorción. En general, estos cuatro métodos básicos utilizan de dos a tres lechos fijos en paralelo, uno en el ciclo de adsorción y el otro o los otros dos en un ciclo de deserción para dar continuidad al flujo. Después de que un lecho ha completado el ciclo de adsorción, el flujo se desvía hacia el segundo lecho recién regenerado para la adsorción. Entonces el primer lecho se regenera mediante cualquiera de los métodos siguientes.

1. Ciclo de oscilación de temperatura. También se llama ciclo de oscilación térmica. El lecho de adsorción usado se regenera calentándolo con serpentines de vapor dentro de él, o con una corriente de gas de purga caliente para eliminar el adsorbato. Después, el lecho se enfría, para que se pueda usar para la adsorción en el del ciclo siguiente. El tiempo de regeneración generalmente es de pocas horas.

2. Ciclo de oscilación de presión. En este caso el lecho se desorbe reduciendo la presión a temperatura esencialmente constante y luego purgando el lecho a baja presión con una pequeña fracción de la corriente del producto. Este proceso para gases usa un ciclo muy corto para la regeneración comparado con el ciclo de oscilación de temperatura.

3. Ciclo de remoción con gas de purga inerte. En este ciclo el adsorbato se elimina haciendo pasar un gas inerte o que no se adsorbe a través del lecho. Esto disminuye la presión parcial o la concentración alrededor de las partículas y sobreviene la deserción. Los tiempos de regeneración son de algunos minutos.


4. Ciclo de desplazamiento y purga. La presión y la temperatura se mantienen esencialmente constantes como al emplear gas de purga, pero se utiliza un gas o un líquido que se adsorbe con más fuerza que el adsorbato y lo desplaza. También los ciclos suelen ser de pocos minutos.

La remoción con vapor se usa a menudo para regenerar sistemas de recuperación de disolventes que utilizan adsorbente de carbón activado, y se puede considerar como una combinación del ciclo de oscilación de temperatura y el de desplazamiento y purga.

V.- EXPERIMENTO:

REACTIVOS:

No Reactivo Cantidad

1 AGUA SUFICIENTE2 CARBON ACTIVADO3 FENOL

MATERIAL DE LABORATORIO:

No Material Cantidad

1 Matraz aforado 1 l 12 Matraz Erlenmeyer 250 ml 53 Vasos de pp 100 ml 64 Vaso de pp de 500 ml 15 celdas 56 Espátula 17 Probeta 100 ml 18 Agitadores 3

EQUIPO DE LABORATORIO:

No Características Cantidad

1 BASCULA ANALITICA 12 ESPECTROMETRO 13


Metodología:

Pesar 25, 50, 75 y 100 gr de carbón activado

Colocar en cada matraz Erlenmeyer 100 ml de la solución de fenol

Preparar una solución de fenol al 0.1 M

Vaciar el carbón activado en cada matraz aforado y esperar un momento.

Filtrar cada producto de nuestro matraces.

Tomar muestra de cada matraz y analizarla en el espectrómetro.


VI.- ANÁLISIS DE RESULTADOS:

gr de carbon activado

absorbancias

0 0.08525 0.10650 0.09875 0.1135

100 0.111

0 20 40 60 80 100 1200.08000000000000010.08500000000000010.09000000000000010.0950000000000001

0.10.105

0.110.115

0.12

Absorbancia

absorbancias

gr de carbon activado

Abso

rban

cia

VII.- CONCLUSIONES:

Como ya nos hemos dado cuenta en este proceso se da la separación de una solución acuosa o gaseosa por medio de un solido el cual va atrapar entre sus poros moléculas de un cierto compuesto para disminuir de esta forma su concentración de la disolución o del gas o si no para llevar acabo una reacción heterogénea.


VIII.- BIBLIOGRAFÍA

No. Autor / Año Título Editorial / Edición

1 Cristie J. Geankoplis / 1998 Procesos de transporte y operaciones unitarias

Cecsa / 3ra edicion

2

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4

IX .- APÉNDICES.

adsorcion

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