INGENIERIA DE ALIMENTOS III

RAMIREZ ESPINOZA YULEISSIALUMNA:

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

SEDE DEL VALLE DE JEQUETEPEQUEEscuela de Ingeniería

Agroindustrial

Mg. ARTEAGA MIÑANO, HUBERT LUZDEMIO

PROCESOS DE ADSORCIÓN

ADSORCION

• La adsorción es una operación de separación en la que ciertos componentes de una fase fluida se transfieren hacia la superficie de un sólido, donde quedan unidos mediante fuerzas de naturaleza física (débiles) o bien mediante verdaderos enlaces químicos.

ADSORCIÓN FÍSICA ADSORCIÓN QUÍMICA

Fuerzas de van der Waals Carácter exotérmico (1-10 kcal/mol) Rápida Reversible Formación de multicapas Ocurre en todos los sólidos y en toda su

superficie Poca selectividad Dependencia lineal con T

• Enlaces químicos• Carácter exotérmico (10-100 kcal/mol)• Lenta• Irreversible• Sólo monocapa adsorbida• Ocurre en ciertos sólidos y en

determinados puntos• Gran selectividad• Dependencia exponencial con T

(Arrhenius)

Mediante la adsorción, las moléculas de un soluto se concentran en una superficie sólida por la acción de fuerzas intermoleculares entre el soluto y el sólido. Debido a estas fuerzas el fenómeno es fácilmente reversible.

1. Contacto del adsorbente y la solución2. Al efectuarse la adsorción el soluto se une preferentemente a lasuperficie del adsorbente respecto a otros soluto3. Lavado de la columna con una solución que no provoque ladesorción del soluto de interés4. Finalmente se efectúa la recuperación del soluto utilizando unfluido que favorezca la desorción.

La operación de adsorciónrequiere de cuatro pasos

PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ADSORBENTES:

Los adsorbentes tienen forma de pelotitas, pequeñas cuentas cuyo tamaño va de cerca de 0.1 mm a 12 mm. 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.

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.

Existen varios adsorbentes comerciales y algunos de los principales se describen en seguida:

1. CARBÓN ACTIVADO. Éste es un material microcristalino que proviene de la descomposición térmica de madera, cortezas vegetales, carbón, etc.,

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.

2. GEL DE SÍLICE. Este adsorbente se fabrica tratando con ácido una solución de silicato de sodio y luego secándola. Se utiliza principalmente para deshidratar gases líquidos y para fraccionar hidrocarburos.

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. 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 se usan para adsorber compuestos orgánicos no polares de soluciones acuosas..

TIPOS DE ADSORCIÓN

1. La adsorción del primer tipo cae de lleno dentro del intercambio iónico y a menudo se le llama adsorción por intercambio, que es un proceso mediante el cual los iones de una sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie.

Cabe distinguir tres tipos de adsorción según que la atracción entre el soluto y el adsorbente sea de tipo eléctrico de Van der Waals o de naturaleza química.

2. La adsorción que tiene lugar debido a las fuerzas de Van del Waals se llama generalmente adsorción física. En estos caso, la molécula adsorbida no está fija en unlugar específico de la superficie, sino más bien está libre de trasladarse dentro de lainterface. Esta adsorción, en general, predomina a temperaturas bajas.

3. La adsorción de la mayoría de las sustancias orgánicas en el agua con carbón activado se considera de naturaleza física.Si el adsorbato sufre una interacción química con el adsorbente, el fenómeno se llama adsorción química.

En el análisis de los procesos de adsorción los datos de equilibrio se expresan normalmente como isotermas de adsorción: Las isotermas son parte esencial para modelar la adsorción y por lo tanto para el diseño, cálculo de eficiencias y costos de la adsorción.Las isotermas nos permiten estimar el grado de purificación que puede ser alcanzado, la cantidad de adsorbente requerido, y la sensibilidad del proceso respecto a la concentración del producto.

Relaciones de equilibrio

• Freundlich(Adsorción por intercambio iónico)

• Lineal (Aprox. de isotermas en la región baja de concentración del soluto)

• Langmuir (Adsorción por afinidad)

• Irreversible(Sistemas altamente específicos)

Cuatro tipos básicos de isotermas

Isoterma de Freundlich

El Isoterma de Freundlich se describe por medio de una ecuación exponencial empírica:

DONDE:

q = cantidad de soluto adsorbida por cantidad de adsorbente

y = concentración de soluto en la solución n = constante adimensional K = constante cuyas unidades dependen de n

n < 1 isoterma favorablen > 1 isotermas desfavorables

𝑞=𝐾 𝑦𝑛

Isoterma lineal se describe por medio de una ecuación recta que pasa por el origen:

𝑞=𝐾𝑦

o Todos los sitios del sólido tienen igual actividad para la adsorción.

o No existe interacción entre las moléculas adsorbidaso Cada unión adsorbato-adsorbente tiene la misma

estructura y sucede por el mismo mecanismoo Cada sitio o poro del sólido puede albergar una sola

molécula de adsorbato

Isoterma lineal

Isoterma Langmuir:

Se describe por medio de expresiones del tipo:

DONDE:

= capacidad máxima del adsorbente= constante de equilibrio de desorción

𝑞=𝑞0 . 𝑦𝐾 𝑑+𝑦

Bajas presiones q = qo y

Altas presiones q = qo

Dos casos extremos:

Isoterma Langmuir:

VARIABLES DE PROCESO Y CICLOS DE ADSORCIÓN

Los procesos de adsorción a gran escala se pueden dividir en dos amplias clases. La primera 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 y estos son:

• 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.

1. Ciclo de oscilación de temperatura

• 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.

2. Ciclo de oscilación de presión

• 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.3. Ciclo de remoción con gas de

purga inerte.

• 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.4. Ciclo de desplazamiento y

purga.

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. Se necesita una relación de equilibrio como las isotermas de Freundlich o de Langmuir y un balance de materia. El balance de materia sobre el adsorbato es:

Donde :M : es la cantidad de adsorbente, en kg S : es el volumen de la solución de alimentación, en m3.: La concentración inicial de la alimentación. C: concentración final en equilibrio.:la concentración del soluto adsorbido en el Sólido.q : el valor final en equilibrio

Al graficar la variable q de la ecuación en función de c, el resultado es una línea recta.

INTRODUCCIÓN Y EQUIPO PARA LIXIVIACIÓN LÍQUIDO-SÓLIDO

Muchas sustancias biológicas, así como compuestos inorgánicos y orgánicos, se encuentran como mezclas de diferentes componentes en un sólido. Para separar el soluto deseado o eliminar un soluto indeseable de la fase sólida, ésta se pone en contacto con una fase líquida. Ambas fases entran en contacto intimo y el soluto se difunde desde el sólido a la fase líquida, lo que permite una separación de los componentes originales del sólido. A este proceso se llama lixiviación.

Proceso de lixiviación:

Este equipo se usa en la industria del azúcar de remolacha, en la extracción de taninos de corteza curtiente, en la extracción de productos farmacéuticos de cortezas y semillas.En la figura se muestra un extractor o difusor típico para azúcar de remolacha. La tapa se puede quitar para que sea posible introducir al lecho las rebanadas de remolacha, a las que se llama cassettes. El flujo para lixiviar el azúcar del lecho es agua de 344 K (71 “C) a 350 K (77 “C).

TIPOS DE EQUIPO PARA LA LIXIVIACIÓN

1. Lixiviación en lechos fijos.

Existen varios dispositivos para lixiviar a contracorriente en etapas, en los cuales el lecho o etapa es móvil en lugar de fijo. Estos procesos son útiles en la extracción de aceite a partir de semillas vegetales, como la de algodón, soya. Por lo general, primero se procede a quitar la cáscara a la semillas, algunas veces se precocinan , generalmente se secan y después se trituran a escamas con rodillos.

2. Lixiviación con lechos móviles.

En la figura se muestra un dispositivo elevador de cangilones que constituye un lecho móvil totalmente cerrado. Este equipo se llama extractor de Bollman. En la parte superior derecha se introducen las escamas secas o los sólidos sobre un cangilón o cubeta perforada; a medida que los cangilones de la derecha descienden, el material del interior se lixivia con una solución diluida de aceite en disolvente llamada semimicela. Este líquido Buye hacia abajo por percolación a través de los cangilones móviles, y se recolecta en el fondo en forma de solución concentrada o micela completa.

Cuando el sólido se puede moler hasta cerca de 200 mallas (0.074mm), es posible mantenerlo en suspensión aplicándole agitación, y lograr una lixiviación continua a contracorriente, colocándo varios agitadores en serie con tanques de sedimentación o espesadores entre cada agitador.

En este sistema a contracorriente en etapas, el disolvente se añade al espesador de la primera etapa; entonces, el líquido transparente sedimentado sale de una etapa para fluir hacia la siguiente. La alimentación de sólidos entra en la última etapa, donde se pone en contacto con disolvente de la etapa anterior, para pasar al sedimentador. Los lentos raspadores giratorios desplazan el sólido hacia la descarga del fondo.

3. Lixiviación agitada del sólido.