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  • 1. ADSORCIONEn los procesos de adsorción, uno o más componentes de una corriente de gas o de líquidoseadsorben en la superficie de un sólido y se lleva a cabo una separación. En los procesoscomerciales,el adsorbente generalmente tiene la forma de partículas pequeñas en un lechofijo. El fluido se hacepasar por el lecho y las partículas sólidas adsorben componentes delfluido. Cuando el lecho está casisaturado, el flujo se detiene y el lecho se regeneratérmicamente o por otros métodos, de modo queocurre una deserción. Así se recupera elmaterial adsorbido (adsorbato) y el adsorbente sólido quedalisto para otro ciclo deadsorción.Propiedades físicas de los adsorbentesSe han desarrollado muchos adsorbentes para una amplia gama de separaciones. Por locomún, losadsorbentes tienen forma de pelotitas, pequeñas cuentas o gránulos cuyotamaño va de cerca de0.1 mm a 12 mm, y las partículas más grandes se usan en los lechosempacados. Una partícula deadsorbente tiene una estructura muy porosa, con numerososporos muy finos, cuyo volumen alcanzahasta el 50% del volumen total de la partícula. Laadsorción suele ocurrir como una monocapa sobrela superficie de los poros, pero a veces seforman varias capas. La adsorción física, o de Van derWaals, por lo general sucede entre lasmoléculas 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 pasaalrededor dela partícula en un lecho fijo, el soluto primero se difunde desde el volumen delfluido hacia toda lasuperficie exterior de la partícula. Luego, el soluto se difunde hacia elinterior del poro hasta la superficiedel mismo. Por último, el soluto se adsorbe sobre lasuperficie. Así, el proceso de adsorción global esuna serie de pasos.Relaciones de equilibrio para adsorbentesEl equilibrio entre la concentración de un soluto en la fase fluida y su concentración en elsólido separece un poco a la solubilidad en equilibrio de un gas en un líquido. Los datos segrafican para darisotermas de adsorción, como se muestra en la figura 12.1-1. Laconcentración en la fase sólida seexpresa como q, en kg de adsorbato(soluto)/kg deadsorbente(sólido), y en la fase fluida (gaseosao líquida) como c, en kg de adsorbato/m3 defluido.Los datos que siguen una ley lineal se pueden expresar mediante una ecuación parecida a laley de Henry.
  • 2. Donde K es una constante determinada experimentalmente, en m3/kg de adsorbente. Estaisotermalineal no es común, pero en la región diluida se puede usar para aproximar losdatos de muchossistemas.La ecuación de la isoterma de Freundlich, que es empírica, a menudo sirve para aproximarlos datospara muchos sistemas de adsorción físicos y es particularmente útil para líquidos.Donde K y n son constantes y se -determinan experimentalmente. En una gráfica log-log deq enfunción de c, la pendiente es el exponente adimensional n. Las dimensiones de Kdependen del valorde n. Esta ecuación a veces se usa para correlacionar datos parahidrocarburos gaseosos en carbón activado.La isoterma de Langmuir tiene una base teórica y está dada por la siguiente ecuacion, dondeqoyK son constantes empíricas:Donde qoes una constante, en kg de adsorbato/kg de sólido, y K es una constante, enkg/m3. Laecuación se dedujo suponiendo un número fijo de sitios activos disponibles para laadsorción, quesólo se forma una monocapa y que la adsorción es reversible y alcanza unacondición de equilibrio.Cuando se grafica llq en función de l/c, la pendiente es K/q, y la intersección es llq.En casitodos los sistemas de adsorción, a medida que aumenta la temperatura la cantidadadsorbidapor el adsorbente va disminuyendo con rapidez, lo cual es útil porque la adsorciónnormalmente se hacea la temperatura ambiente y la deserción se puede efectuaraumentando la temperatura.
  • 3. ADSORCIÓN POR LOTESLa adsorción por lotes se suele usar para adsorber solutos de disoluciones líquidas cuandolascantidades tratadas son pequeñas, como en la industria farmacéutica y en otras. Al igualque enmuchos otros procesos, se necesita una relación de equilibrio como las isotermas deFreundlich ode Langmuir y un balance de materia. La concentración inicial de laalimentación es cF y laconcentración final en equilibrio es c. Del mismo modo, laconcentración del soluto adsorbido en elsólido es qFy el valor final en equilibrio es q. Elbalance de materia sobre el adsorbato esDonde M es la cantidad de adsorbente, en kg, y S es el volumen de la solución dealimentación, en m3.Al graficar la variable q de la ecuación en función de c, el resultado es una línea recta. Sisetraza la isoterma de equilibrio en la misma gráfica, la intersección de ambas líneas da losvaloresfinales en equilibrio de q y c.DISEÑO DE COLUMNAS DE ADSORCIÓN DE LECHO FIJOUn método muy usado para la adsorción de solutos de líquidos o gases emplea un lecho fijodepartículas granulares. El fluido que se va a tratar se hace descender a través del lechoempacado auna tasa de flujo constante. En el proceso de lecho fijo son importantes lasresistenciasa la transferencia de masa, y el proceso se lleva a cabo en estado noestacionario. La eficiencia delproceso depende de la dinámica global del sistema, y no sólode las consideraciones de equilibrio.
  • 4. Las concentraciones del soluto en la fase fluiday en la fase adsorbente sólida cambian con eltiempoy también con la posición en el lecho fijo conforme prosigue la adsorción. En laentrada del lecho sesupone que el sólido no tiene soluto al principio del proceso; a medidaque el fluido entra en contactocon la entrada del lecho, se realiza la mayor parte de latransferencia de masa y de la adsorción. Cuandoel fluido pasa a través del lecho, suconcentración va disminuyendo muy rápidamente con la distanciahasta llegar a cero muchoantes del final del lecho. El perfil de concentración al principio, en el tiempotl, se muestra enla figura 12.3-la, donde la relación de concentraciones c/c, se gratica en función delalongitud del lecho. La concentración del fluido coes la de la alimentación y c es laconcentración delfluido en un punto del lecho.Después de cierto tiempo, el sólido que se encuentra cerca de la entrada de la torre estácasisaturado, y la mayor parte de la transferencia de masa y de la adsorción sucede ahoraen un puntoligeramente más lejano a la entrada. En un tiempo posterior t2, el perfil o lazona de transferencia demasa donde ocurre la mayor parte del cambio de la concentración,se ha desplazado más lejos dentro del lecho. Los perfiles de concentración que se muestrancorresponden a la fase fluida. Los perfilesde concentración para la concentración deadsorbatos en el sólido son similares. En la entrada, el sólidoesta casi saturado y suconcentración permanece casi constante hasta la zona de transferencia de masa,dondedesciende rápidamente hasta casi cero. La línea punteada correspondiente al tiempo t3muestrala concentración en la fase fluida en equilibrio con el sólido. La diferencia de lasconcentraciones es la fuerza que impulsa la transferencia de masa.
  • 5. Concentración de la curva de avanceComo se ve en la figura 12.3-la, la mayor parte de la adsorción ocurre en cualquiermomento enuna zona relativamente angosta de adsorción o de transferencia de masa.Mientras la solucióncontinúa fluyendo, esta zona de transferencia de masa, que tiene formade S, va bajando por lacolumna. En un tiempo dado t3 en la figura 12.3-la, cuando casi lamitad del lecho está saturadode soluto, la concentración de salida sigue siendoaproximadamente cero, como se observa en lafigura 12.3-lb. Esta concentración de salidasigue siendo casi cero hasta que la zona de transferenciade masa empieza a llegar a la salidade la torre en el tiempo t. Entonces, la concentración de salidaempieza a elevarse, y en t5llega a cb, que se llama punto de ruptura.Después de que se alcanza el punto de ruptura, la concentración c se eleva muyrápidamente hastael punto Cd, que es el final de la curva de avance donde el lecho pierdesu efectividad. La concentraciónde punto de ruptura representa el máximo que se puededescartar y se suele tomar como 0.01 hasta0.05 para cb/cq. El valor cd/co, se toma como elpunto donde cd es aproximadamente igual a c.En una zona angosta de transferencia de masa, la curva de avance es muy marcada y lamayor partede la capacidad del lecho se ha usado ene1 punto de ruptura. Esto permite unuso eficiente del adsorbentey disminuye el costo de energía para la regeneración.

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