adsorcion

UNI FIQTUNI-FIQTPI 147/A CICLO 2009-2PI 147/A. CICLO 2009-2

ADSORCIN

Ing. Rafael J. Chero Rivasg

Lima, 23 noviembre 2009,

Ventajas para utilizar la Operacin Unitaria de Adsorcin

Una cantidad muy grande de compuestos orgnicos e inorgnicos se puede eliminar g g ppor esta tcnicaEl agente de separacin (adsorbente) seEl agente de separacin (adsorbente) se puede regenerar una vez que se satur y

d lse puede reutilizar

23/11/2009 Ing. Rafael J. Chero Rivas 2

Compuestos con muy alta probabilidad de ser eliminados por el carbnactivo

Criseno Hexano 1 3 5 TrimetilbencenoCriseno Hexano 1,3,5-Trimetilbenceno

m-Cresol Isodrin m-Xileno

Cinacina Isooctano o-Xileno

Ciclohexano Isoproturon p-Xileno

DDT Lindano 2,4-Xilenol

Compuestos con alta probabilidad de ser eliminados por el carbn

Anilina Dibromo-3-cloropropano 1-Pentanol

Benceno Dibromoclorometano Fenol

Compuestos con alta probabilidad de ser eliminados por el carbnactivo

Benceno Dibromoclorometano Fenol

Alcohol benclico 1,1-Dicloroetileno Fenilalanina

cido benzoico cis-1,2- Dicloroetileno cido o-ftlico

id ti Di t t M ti i

Compuestos con probabilidad moderada de ser eliminados por el carbnactivo

cido actico Dimetoato Metionina

Acrilamida Etil acetato Metil-tert-butil ter

Cloroetano Etil ter Meti etil ketona


Cloroformo Fren 11 Piridina

Mecanismo de la adsorcin


Fundamentos de la adsorcin

(1) Transferencia deMasa

Dif i (2)Difusin (2)

(3)(3)Adsorcin


Materiales Adsorbentes

Carbn Activado Slica Gel Almina Activada Tamices Moleculares (zeolita) Tamices Moleculares (zeolita)


ADSORBENTES

1. Carbn activadorea: 300-1200 m2/grea: 300 1200 m /gDimetro de poro: 10-60 AngstromsO i l t d bidOrgnicos son generalmente adsorbidos Ventajas:

M f ti li i t i i Muy efectivo para eliminar compuesto qumicos orgnicos no polares de soluciones acuosas

Aplicable a una amplia variedad de compuestos orgnicosAplicable a una amplia variedad de compuestos orgnicos Muye efectivo para remover cplores desde agua de desechos. Efectivo para remover bajos niveles (ppb) de compuestos p j (pp ) p

inorgnicos.


DESVENTAJAS:

Limitada a bajas concentraciones de orgnicos (< 5%)

DESVENTAJAS:

5%). Limitado a desechos de inorgnicos a muy bajas

t i (< 1%)concentraciones (< 1%). No remueve compuestos orgnicos solubles. Sistema no puede tolerar slidos solubles en la corriente influente. Alto costo de operacin debido al costo del carbn ($2 - $3/libra).) Disposicin del carbon puede ser problemtico si no es regenerado.


regenerado.

Carbn activado Estructura de los porosCarbn activado. Estructura de los poros


Formas de presentacin del carbn activado

Tipo Tamao tpico Tiempo de utilizacin Costo

activadoTipo Tamao tpico Tiempo de utilizacin Costo

Granular 12 x 30, 12 x 40, 8 x 30 malla 6 meses a 2 aos Mayor

Polvo - 150 malla Tiempo corto, como se necesite Menor


2. Silica gel (Na(Na22SiOSiO33))

Obtencin: Tratamiento cido de soluciones de silicato de sodio

rea: 600-800 m2/g

Dimetro de poro: 20-50 Angstroms

Deshidratar gases y lquidosDeshidratar gases y lquidos


Slica Gel

H2OH2O H2O

OH OH

l t i t

OH OH O

calentamiento

hidroflica hidrofbica


hidroflica

3. Almina activada

Obtencin: Por calentamiento de almina (Al2O3)hidratado a 400 C Es activada por calentamientohidratado a 400 C. Es activada por calentamiento.Es usada para secar gases y lquidos ymercaptanos desde hidrocarburos y fluoruros delp yagua. rea: 200-500 m2/g

Dimetro de poro: 20-140 AngstromsDimetro de poro: 20-140 Angstroms

4. Tamices moleculares

Aluminosilicatos porosos

Dimetro de poro: 3 10 AngstromsDimetro de poro: 3-10 Angstroms

Es usado para secado.


p

Fibra Al2O3 no procesada

10% carga 25% carga (imgen aumentada)

Tamices Moleculares

Zeolita Cristalina Poros uniformes que separan selectivamente

compuestos por tamao y forma.23/11/2009 Ing. Rafael J. Chero Rivas 15

compuestos por tamao y forma.

Sistema de Adsorcin


Etapa RegeneracinEtapa Adsorcin


Adsorbedores


COLUMNA ADSORBEDORA


Comparacin de isotermas de padsorcin


Isotermas de AdsorcinIsotermas de AdsorcinRelacin entre el slido y la concentracin del soluto en el lquidoDatos obtenidos a temperatura constante

FreundlichLangmuir Kyq = Lineal

q LinearnKyq = Freundlich

yKyqq +=

0Langmuir


y

Determinacin de isotermas constantesDeterminacin de isotermas constantes

Li lLineal:Determinar K al graficar q versus y

Freundlich: D i K l fi (l )Determine K y n al graficar (log q) versus

(log y)log q

log K

Pend = n

Langm ir

log y

Langmuir:Determine q0 y K al graficar (1/q) versus (1/y) 1/q Pend

= K/qmax

23/11/2009 Ing. Rafael J. Chero Rivas 231/y

1/qmax

Isotermas de Freundlich npkm = pkm =Fase: gas


Efecto de la temperaturaEfecto de la temperatura

La capacidad deadsorcinadsorcin.decrece con elincremento deincremento detemperatura,tanto para gasestanto para gasescomo paralquidoslquidos.


Ejemplo: Isoterma de Adsorcin deEjemplo: Isoterma de Adsorcin de fenol de un Efluente Lquido

Pruebas en el laboratorio usando solucionesacuosas de fenol y carbn activado granularacuosas de fenol y carbn activado granular.Los datos de equilibrio a la temperaturaambiente son mostrados Determinar laambiente son mostrados. Determinar laisoterma que mejor se ajusta a los datos.


C, kg fenol/m3 soluc q, kg fenol/kg carbn

0,322 0,1500,322 0,150

0 117 0 1220,117 0,122

0 039 0 0940,039 0,094

0 0061 0 0590,0061 0,059

0,0011 0,045


Isoterma de Freundlich:q = K * c La isoterma de Freundlich se cumple cuando al graficar log C vs log q, se ajusta a una p g g g q, jlnea recta.Isoterma Langmuir:q = qo* C/(K + C)q q /( )La isoterma de Langmuir se cumple cuando al graficar 1/q vs 1/C, se ajusta a una recta.DATOS:

C, kg fenol/m3

soluc

q, kg fenol/kg carbn

Log C Log q 1/c 1/q

0,322 0,15 - 0,49 - 0,82 3,11 6,67

0 117 0 122 - 0 93 - 0 91 8 55 8 200,117 0,122 - 0,93 - 0,91 8,55 8,20

0,039 0,094 - 1,41 - 1,03 25,64 10,64

0,0061 0,059 - 2,21 - 1,23 163,93 16,95

0,0011 0,045 - 2,96 - 1,35 909,09 22,22

Adsorcin Freundlich

0 00Freundlich se ajusta

-1.00

0.00-4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00

q

jbien a los datosexperimentales

-3.00

-2.00

l

o

g

dados. No ocurrelo mismo conLangmuir-4.00

log c

Langmuir

Adsorcin Langmuir

30.00

0.0010.0020.00

1

/

q

0.000.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.0

01/c


1/c

Cada de presin en lechos fijos

)1(1503 dPg 75.1

')1(150

')1( 2+=

GdGD

dPg

p

ggp

P: cada de presin (lb/ft2)D: profundidad del lecho (ft) : Fraccin espacios vacospG: Flujo msico del gas (lb/ft2-hr)g: viscosidad del gas (lb/ft-hr)d : dimetro de partcula (ft)

Rango tpico de operacin:

dp: dimetro de partcula (ft)

g p pP < 20 in H2O; 20 < v < 100 ft/min


Datos en Tratamiento de EfluentesContami-nante

Influente, mg/L

Efluente, microgr/L

GPM/pie2 lbcarbn/1000 gal

Modo de operacin

FenolOrtoocloro-f l

63100

< 1< 1

1 5,8 3 lechosfijos enseriefenol serie

CloroformoTetracloru-

3,4135

< 1< 1

0,5 11,6 2 lechosfijos enTetracloru

ro de carbn

135 < 1 jserie

l f l hCloroformoTetracloro-etileno

0,870

< 1< 1

2,3 2,8 2 lechosfijos enserie

BencenoTetracloro-

0,44,5

< 1< 1

1,21 1,9 2 lechosfijos en

i


etileno serie

nc

e

e

a

v

a

n

v

a

d

e

C

u

r

v


ADSORCINAdsorbente: Carbn activado

Efluente: LquidoDATOS:FlujoC t i d l i fl tConcentracin del influenteConcentracin del efluentePARMETROS RECOMENDADOS:PARMETROS RECOMENDADOS:Flujo referido al rea de seccin transversal: 2 10 GPM/pie2. Serecomienda trabajar cerca al valor superior del rango dado.Tiempo de contacto: Vara dependiendo del contaminante, peronormalmente est en el rango de 20 min hasta varias horas.El carbn grueso (ej 8 x 30) es generalmente especificado paraEl carbn grueso (ej. 8 x 30) es generalmente especificado parasistemas con flujo hacia abajo, alto flujo lineal alto contenido deslidos suspendidos y relativamente bajos requerimientos de


slidos suspendidos y relativamente bajos requerimientos deremocin.

El carbn fino (ej 12 x 40) es generalmente usado para fl j h i ib b j fl j li l b j id dflujo hacia arriba, bajo flujo lineal, bajo contenido de slidos suspendidos y altos requerimientos de remocin.Velocidad superficialEs dado por pruebas a nivel de planta piloto, pero por regla debiera estar entre 2-10 gpm/pie2 (el valor g gp p (recomendado es cercano al lmite superior del rango dado).dado).Tiempo de contactoEl tiempo de contacto vara con el tipo deEl tiempo de contacto vara con el tipo de contaminante, pero generalmente vara de 20 min a varias horas


varias horas.

Pautas de DiseoOperacin por Lotes: varias unidades en paraleloOperacin continua: 2 unidades (Lecho adsorcin + lecho enOperacin continua: 2 unidades (Lecho adsorcin + lecho en regeneracin)Seleccin adsorbente (selectivo especfico para aplicacinSeleccin adsorbente (selectivo, especfico para aplicacin,Dimetro partcula, Vporos 50% V total, rea = 2000 m2/g)Sentido de flujo: Habitual descendente (no rotura ni finos)Sentido de flujo: Habitual descendente (no rotura ni finos)Parmetros de diseo:- Velocidad superficial (valores tpicos v gas = 15-60 cm/s y- Velocidad superficial (valores tpicos v gas 15-60 cm/s y vlq = 0,3 cm/s)- Tiempo de ciclo (valores tpicos t = 2-24 h)- Tiempo de ciclo (valores tpicos t 2-24 h)- Cada de Presin (P = 4-8 cm H2O/m relleno)


Adsorbedor fase gasgDimetro de la columna

El dimetro del equipo puede ser calculado con:D = (25 * MMCFD*Tf* vG/Pf)1/2D = (25 MMCFD Tf vG/Pf) /

D: piesMMCFD ill i 3 t/d (14 65 i 65 F)MMCFD: millones pies3 st/da (14,65 psia; 65 F)Tf: Temperatura entrada RPf: Presin, psiavG: velocidad del gas (20 100) pies/minvG: velocidad del gas, (20 100) pies/min


CLCULOSCLCULOSDimetro de lacolumnacolumnaProfundidad dellecholecho

23/11/2009

DISEO DE UNA COLUMNA DE ADSORCIN

Adsorbedor de fase gaseosaDatos:Datos:Flujo: 946 m3/hConcentracin del contaminante en el influente:Concentracin del contaminante en el influente: 69 mg/LConcentracin del contaminante en el efluente: 4Concentracin del contaminante en el efluente: 4 mg/L


Dimetro nominal de la columnaDimetro nominal de la columna

El rea de seccin transversal de la columnaEl rea de seccin transversal de la columnaes igual al flujo volumtrico dividido entre lavelocidad superficial.velocidad superficial.La velocidad superficial ha sido consideradacomo: v = 16 4 pies/min = 300 m/hcomo: v = 16,4 pies/min = 300 m/hA = 946/300 = 3,15 m2T = (4*At/3 1416)0,5 = 2 m = 6 57 piesT = (4 At/3,1416) , = 2 m = 6,57 piesSeleccionar una columna de 6,6 pies dedimetrodimetro.


adsorcion

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