SEPARACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS GASEOSAS EN UN ADSORBEDOR DE LECHO FIJO

Transcripción

1 REPÚBLICA BOLIVARIAA DE VEEZUELA UIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE IGEIERÍA DIVISIÓ DE POSTGRADO PROGRAMA DE POSTGRADO E IGEIERÍA DE GAS SEPARACIÓ DE MEZCLAS BIARIAS GASEOSAS E U ADSORBEDOR DE LECHO FIJO Trabao de Grado presentado ante la Ilustre Unversdad del Zula para optar al Grado Académco de MAGÍSTER SCIETIARUM E IGEIERÍA DE GAS Autor: TOMÁS ADRÉS MAGRI VILLALOBOS Tutor: Jorge Barrentos Co-tutor: Cezar García Maracabo, enero de 008

2 Magr Vllalobos, Tomás Andrés. Separacón de Mezclas Bnaras Gaseosas en un Adsorbedor de Lecho Fo. (008). Trabao de Grado. Unversdad del Zula. Facultad de Ingenería. Dvsón de Postgrado. Maracabo. Venezuela. 78 p, Tutor: Prof. Jorge Barrentos; Co-tutor: Prof. Cezar García. RESUME En este trabao se nforma de los resultados obtendos en la nvestgacón sobre el equlbro de adsorcón de mezclas gaseosas bnaras de hdrocarburos, a través de un lecho fo con control de la fase fluda. Para ello se desarrolla un programa de smulacón, a través del cual se calculan en funcón del tempo, las concentracones del componente fuertemente adsorbdo, tanto en la fase fluda como en la fase sólda en dferentes puntos del lecho, desde la entrada hasta la salda del msmo. Estos procesos de separacón son etraordnaramente mportantes para países en desarrollo. En este estudo se desarrolla la aplcacón del método de resolucón por colocacón ortogonal, el cual permte transformar las ecuacones del balance de transferenca de matera en dervadas parcales envueltas en el proceso en un sstema de ecuacones ordnaras que son ntegradas luego por el Método de Euler. De esta forma, que la solucón de las ecuacones (concentracón en ambas fases), es encontrada en los dferentes puntos de colocacón dentro del lecho, consderados en el planteamento del problema. Este desarrollo hace evdente la necesdad de dsponer de datos de equlbro en un amplo ntervalo de condcones (composcón, presón, etc.), así como de modelos para la predccón de dchos datos necesaros para el dseño de los equpos. El obetvo de análss de este trabao se lmta al estudo de sstemas bnaros de mezclas de hdrocarburos con tres tpos de adsorbentes, con base en un programa de smulacón, tomando en cuenta el control de la fase fluda (gaseosa), a condcones sotérmcas y donde serán utlzados dversos problemas de prueba, obtendos de la lteratura de ser posble, relaconada con problemas de optmzacón. Las mezclas constaran de metano y compuestos mas pesados. Los tpos de adsorbente sobre los cuales se realzará el estudo son de uso común en la ndustra. Palabras claves: Adsorcón, lecho fo, fase fluda. E-mal del autor: tmagr@cantv.net 3 3

3 Magr Vllalobos, Tomás Andrés. Separaton of Gaseous Bnares Component Mtures n an Adsorbedor of Fed Bed. (008). Trabao de Grado. Unversdad del Zula. Facultad de Ingenería. Dvsón de Postgrado. Maracabo. Venezuela. 78 p. Tutor: Prof. Jorge Barrentos; Co-tutor: Prof. Cezar García. ABSTRACT In ths work, t reports of the results obtaned n the research on the balance of adsorpton of gaseous bnary mtures of hydrocarbons, across a fed bed wth control of the flud phase. For t there develops a program of smulaton, across whch they are calculated dependng on the tme, the concentratons of the component strongly adsorbed, both n the flud phase and n the sold phase n dfferent ponts of the bed, from the entry up to the et of the same one. These processes of separaton are etraordnarly mportant for developng countres. In ths study there develops the applcaton of the method of resoluton for orthogonal placement, whch allows to transform the equatons of the balance of transfer of matter nto partal dervatves nvolved n the process nto a system of ordnary equatons that are ntegrated then by Euler's Method. Of ths form, that the soluton of the equatons (concentraton n both phases), s found n the dfferent ponts of placement nsde the bed, consdered n the approach of the problem. Ths development makes evdent the need to have nformaton of balance n a wde nterval of condtons (composton, pressure, etc.), as well as of models for the predcton of the above mentoned nformaton necessary for the desgn of the equpments. The lens of analyss of ths work lmts tself to the study of bnary systems of mtures of hydrocarbons wth three types of adsorbents, wth base n a program of smulaton, bearng n mnd the control of the flud (gaseous) phase, to sothermal condtons and where there wll be used dverse problems of proof, obtaned of the lterature of beng possble, related to problems of optmzaton.the mtures were consstng of methane and heavy components. The types of adsorbent on whch the study wll be realzed are commun use n ndustre. Key words: Adsorpton, fed bed, flud phase. Author e-mal: tmagr@cantv.net 4 4

4 DEDICATORIA A todas las personas que han colaborado para la conclusón de este trabao. Una especal e mportante consderacón a ms padres y hermanas. A los amgos Cezar García y Jorge Barrentos por brndar su valoso y desnteresado apoyo. A Andrea Vctora y Lus Fernando quenes tan pequeños se convrteron en una fuente de energía para segur adelante y poder culmnarlo. 5 5

5 AGRADECIMIETO Quero epresar m mas profundo agradecmento y grattud prmeramente a Dos por ser m meor amgo, m fortaleza, por darme todo lo que tengo y no dearme caer nunca. Le agradezco haberme dado la posbldad de encontrarme con personas, quenes con su valosa, generosa y desnteresada ayuda han guado este estudo a lo largo de todo su desarrollo en estos años. A los amgos Prof. Cezar García y Prof. Jorge Barrentos por asesorarme a lo largo de estos años y acompañarme en este camno que hoy culmna en el presente proyecto, por compartr su conocmento conmgo e nsprar en m mucha admracón A ms padres y hermanas por ser los meores y estar conmgo ncondconalmente. Gracas porque sn ellos y sus enseñanzas no estaría aquí n sería quen soy ahora. A ellos les agradezco su valoso apoyo. A ms amgas del Post-Grado. Elane, Patrca, Mlagros porque gracas a ellas sé lo que es la amstad verdadera, valor mportante en la vda. Gracas por estar conmgo estos años y por compartr muchas cosas en todo este tempo y en el futuro por venr. A ms amgos de sempre Karen, Lus, José por permtrme conocerlos y ser parte de su vda. Por habernos apoyado en todo momento y estar undos a lo largo de la carrera y aun mucho después... A ms compañeros y amgos por estar conmgo en momentos buenos y no tan buenos y para quenes pdo a Dos que les conceda cumplr sus metas. Por ultmo pero no menos mportantes a aquellas personas como el Prof. Alfredo Vllalobos, quen sempre creyó en mí y quén me brndo su amstad y apoyo desnteresado. 6 6

6 TABLA DE COTEIDO Págna RESUME ABSTRACT DEDICATORIA... 5 AGRADECIMIETO TABLA DE COTEIDO LISTA DE FIGURAS CAPITULO I ITRODUCCIÓ II FUDAMETOS DE ADSORCIÓ Concepto de adsorcón Adsorbentes ) Tpos de adsorcón. a. La adsorcón físca o adsorcón de Van der Waals b. La qumsorcón o adsorcón actva... 3 ) aturaleza de los adsorbentes... 5 ) Capacdad de adsorcón... 6 v) Selectvdad.. 6 v) Propedades mecáncas y tamaños de partícula v) Vda del adsorbente.. 7 v) Costos.. 7 v) Adsorbentes de lecho fo y de estado no estaconaros ) Dnámca de la adsorcón en lechos fos Prncpales adsorbentes de uso ndustral ) Arcllas naturales o terras de Fuller.. 30 ) Arcllas actvadas ) Bauta v) Alúmna v) Gel de sílce... 3 v) Carbón actvado

7 v) Zeoltas v) Alumnofosfatos ) Tamces moleculares de carbón ) Adsorbentes polímeros ) Carbón de hueso... 4 ) Carbones decolorantes 4 ) Carbón adsorbente de gases... 4 v) Carbón actvado de malla molecular v) Adsorbentes polmércos sntétcos Equlbro de adsorcón Termodnámca de la adsorcón Isotermas de adsorcón Fenómeno de desorcón ) Hstéress de adsorcón Absorcón de componentes puros 54 ) Modelos termodnámcos a) Ley de Henry. 54 b) Isoterma de Langmur (Langmur, 98).. 54 c) Isoterma de Volmer (Srcar y Gupta) d) Isoterma de Van der Waals (Ruthven). 55 e) Isoterma del Vral (Ruthven) f) Isoterma de Jaronec (Jaronec, Derylo) 55 g) Isoterma de Toth 56 h) Isoterma de Mathews y Weber (Srcar y Gupta 56 ) Modelos semempírcos 56 a) Isoterma de Freundlch.. 56 b) Isoterma de Prausntz 56 c) Isoterma de B.E.T.. 58 d) Isoterma de Weber. 58 ) Curva característca de equlbro de adsorcón Adsorcón de mezclas de cases ) Modelos termodnámcos... 6 a) Teoría de la Solucón Adsorbda Ideal. (I.A.S.)

8 b) Teoría de la Solucón Adsorbda Heterogénea Ideal. (H.I.A.S.) 66 c) Teoría de la Solucón Adsorbda Real. (R.A.S.) d) Modelo de la Dependenca de la Presón Superfcal (S.P.D.).. 69 e) Teoría del dsolvente magnaro (Vacancy Soluton Theory) f) Modelo termodnámco estadístco (S.T.M.) 79 ) Modelos sememprcos 84 a) Etensón del modelo de Langmur b) Etensón de la ecuacón de Langmur modfcada c) Etensón de la ecuacón de Freundllch d) Etensón de la ecuacón de Prausntz Aplcacones ndustrales de la adsorcón ) Cclo por aumento de la temperatura. Temperature-Swng Cycle 87 ) Cclo por arrastre con un nerte. Inert Purge Cycle.. 87 ) Cclo por desplazamento con otro adsorbato. Dsplacement Purge Cycle v) Cclo por reduccón de la presón. Pressure Swng Cycle 88 v) Cclos combnados v) Procesos de separacón de gases. 89 v) Procesos de separacón de líqudos v) Procesos de purfcacón de gases ) Procesos de purfcacón de líqudos Ventaas de la absorcón III FUDAMETOS DE COLOCACIÓ ORTOGOAL Teoría para la aplcacón de colocacón ortogonal Consderacones generales sobre el método Calculo de polnomos para geometría smétrca Calculo de polnomos para geometría asmétrca Puntos de colocacón ortogonal Matrces de transformacón en geometría smétrca Matrces de transformacón para geometría asmétrca

9 3.8 Aplcacón del método de colocacón ortogonal ) Funcón del Método ) Tpos de Solucones ) Aplcacones de Colocacón Ortogonal IV PREDICCIÓ DE EQUILIBRIO Y PROCESO DE ADSORCIÓ Predccón del equlbro para mezclas bnaras de gases..... ) Método Termodnámco ) Modelo de Ruthven Proceso de adsorcón Aplcacón del método de colocacón ortogonal Admensonamento del sstema V DISCUSIÓ DE RESULTADOS Prmera parte Análss del comportamento del metano (adsorbato) en la fase gaseosa durante el proceso de adsorcón Análss del comportamento del metano (adsorbato) en la fase adsorbente o lecho sóldo Estudo del comportamento del sstema sueto a varacón de: altura del lecho, velocdad del fludo y porosdad lecho ) Influenca de la varacón en la altura del lecho ) Influenca de la varacón en la velocdad del fludo ) Influenca de la varacón en la porosdad del lecho Análss (Prmera parte) Segunda parte Análss del comportamento del metano (adsorbato) en ambas fases sueto a la varacón de (β) (para (Ω) constante) ) (Ώ).534 y (β) ( K y C T 4. 7l ) (Ώ).534 y (β) ( K y C T 4. 7l0-3 ).. 38 ) (Ώ).534 y (β) 8.44 ( K y C T 4. 7l0-3 ) Análss del comportamento del metano (adsorbato) en ambas fases sueto a la varacón de (ώ) (para (β) constante) ) (Ώ) 53.4 y (β) ( K y C T 4. 7l0-5 ) ) (Ώ) 5.34 y (β) ( K y C T 4. 7l0-4 )

10 ) (Ώ) y (β) ( K y C T 4. 7l0 - ) Análss del comportamento del metano (adsorbente) en ambas fases sueto a la varacón de (ώ) y (β) ) (Ώ) y (β) 8.44 ( K y C T 4. 7l0 - ) ) (Ω) y (β) 34.4 ( K y C T 4.7l0 - ) Análss (Segunda parte) VI COCLUSIOES Y RECOMEDACIOES COCLUSIOES RECOMEDACIOES REFERECIAS BIBLIOGRÁFICAS... 5 APÉDICES.. 53 A. PROGRAMA DE CALCULO (CO ITERFASE).. 53 B. POLIOMIOS PARA GEOMETRÍA ASIMÉTRICA PLAAR C. CALCULO DE DIFUSIVIDADES D. CALCULO DE COEFICIETES DE TRASFERECIA DE MASA. 78

11 LISTA DE FIGURAS Fgura Págna Perfl de comportamento de un lecho sóldo fo Estructura del carbón actvado Estructura crstalna de los prncpales grupos de zeoltas Sstema de canales de las zeoltas pentasl Estructura de las zeoltas pentasl Undad estructural prmara o átomos T de los alumnofosfatos Undades estructurales secundaras de los alumnofosfatos Undades estructurales tercaras de los alumnofosfatos Fotografía de un mcrocrstal de MSC Tpos de sotermas de adsorcón vs. Relacones de concentracón Tpos de sotermas de adsorcón vs. Relacones de presón. 50 Tpos de cclos de hstéress de adsorcón 5 3 Isotermas teórcas de equlbro. Ecuacón de Ruthven. Parámetro V/B XA en funcón del tempo de adsorcón. Poscón XA en funcón del tempo de adsorcón a dferentes alturas del lecho XA en funcón del tempo de adsorcón. Poscón XA en funcón del tempo de adsorcón. Poscón XA en funcón del tempo de adsorcón. Poscón YA en funcón del tempo de adsorcón varas poscones del lecho YA, YA* en funcón de XA. Tempo mn... 8 YA, YA* en funcón de XA. Tempo mn. 9 YA, YA* en funcón de XA. Dferentes tempos de adsorcón XA en funcón de tempo de adsorcón a dferentes alturas de lecho. Pos.: XA en funcón de tempo de adsorcón a dferentes alturas de lecho. Pos.: XA en funcón de tempo de adsorcón a dferentes velocdades de fludo. Pos.: XA en funcón de tempo de adsorcón a dferentes velocdades de fludo. Pos.: XA en funcón de tempo de adsorcón. (Ώ).534 y (β) YA en funcón de tempo de adsorcón. (Ώ).534 y (β) XA en funcón de tempo de adsorcón a df. poscones. (Ώ).534 y (β)

12 30 YA en funcón de tempo de adsorcón. (Ώ).534 y (β) XA en funcón de tempo de adsorcón. (Ώ).534 y (β) Poscón: YA en funcón de tempo de adsorcón. (Ώ).534 y (β) Poscón: XA en funcón de tempo de adsorcón. (Ώ) 53.4 y (β) YA en funcón de tempo de adsorcón (Ώ) 53.4 y (β) XA en funcón de tempo de adsorcón (Ώ) 5.34 y (β) YA en funcón de tempo de adsorcón (Ώ) 5.34 y (β) XA en funcón de tempo de adsorcón. (Ώ) y (β) Poscón: XA en funcón de tempo de adsorcón. (Ώ) y (β) Poscón: YA en funcón de tempo de adsorcón. (Ώ) y (β) Poscón: YA en funcón de tempo de adsorcón. (Ώ) y (β) Poscón: XA en funcón de tempo de adsorcón. (Ώ) y (β) Poscón: YA en funcón de tempo de adsorcón. (Ώ) y (β) Poscón:

13 CAPITULO I ITRODUCCIÓ La adsorcón en columnas empacadas tene un amplo uso ndustral para separar, remover y/o recuperar componentes presentes en una corrente fluda. Es evdente que la adsorcón como proceso untaro de separacón, ofrece ventaas operaconales y menos requermentos energétcos que otros procesos convenconales como destlacón y absorcón. En este sentdo, la adsorcón ha tendo un lugar mportante en los procesos de separacón o remocón de mezclas de hdrocarburos y en el tratamento tercaro en Ingenería Ambental. Muchos problemas de optmzacón y/o dseño que surgen en procesos ndustrales y químcos, son tan compleos que requere el uso de modelos de smulacón. En este caso, usar un modelo de smulacón de rápda eecucón, que aprome adecuadamente la adsorcón de mezclas bnaras gaseosas de hdrocarburos en lechos de adsorbente fos, consttuye un meor aprovechamento del tempo y dnero. El fenómeno de la adsorcón de gases se ha utlzado a escala ndustral desde hace varos años. Sn embargo, ha sdo en los últmos años en los que, debdo al avance tecnológco en este campo y al desarrollo de nuevos adsorbentes, la adsorcón se ha convertdo en una mportante operacón untara de separacón a nvel ndustral, compettva en algunos casos con otras operacones ya cláscas como la etraccón, destlacón, etc. Este desarrollo hace evdente la necesdad de dsponer de datos de equlbro en un amplo ntervalo de condcones (composcón, presón, etc.), así como de modelos para la predccón de dchos datos necesaros para el dseño de los equpos. Como se ha puesto de manfesto anterormente, la adsorcón se ha convertdo en los últmos años en una operacón de separacón de gran mportanca desde el punto de vsta ndustral. Ello es debdo al desarrollo tanto del equpo y procesos utlzados como de nuevos adsorbentes. Este hecho hace manfesta la necesdad de dsponer de datos de equlbro y cnétcos, fundamentalmente a elevadas presones (muy escasos hasta la fecha), así como de modelos para predecr esos datos, que permtan el dseño de los equpos ndustrales de adsorcón. 4 4

14 Dentro de esta línea, en las nvestgacones anterores realzadas, se han obtendo datos epermentales de adsorcón, tanto de equlbro como cnétcos, de hdrocarburos lgeros en dferentes adsorbentes como el carbón actvado y las zeoltas 5A, 3X y Slcalta (Marrón, 979; Domngo, 98; Cabra, 983; Jménez, 989). Así msmo se han desarrollado modelos teórcos para la correlacón y predccón de dchos datos. Aprovechando toda esta eperenca se consderó nteresante el estudo del equlbro de adsorcón, utlzando adsorbentes de uso común en la ndustra, en compuestos hdrocarburos. Por un lado, desde el metano, son hdrocarburos comunes en las correntes de refnería. Por otro lado se ntentó utlzar una gama de adsorbatos que tuvese una sere de propedades dferentes como polarzabldad, peso molecular etc. para facltar el estudo de la nfluenca de la composcón químca del adsorbente en dstntos tpos de moléculas, para comprobar la nfluenca de la composcón químca del adsorbente en el equlbro de adsorcón. Se obtuveron datos de equlbro para poder contrastar la valdez de los modelos en estas condcones. El presente trabao es el nco de un etenso programa de nvestgacón sobre adsorcón que se desarrollaría a partr de este momento en los Departamentos de Ingenería Químca y de Gas de la Facultad de Ingenería de La Unversdad del Zula. En este trabao se nforma de los resultados obtendos en la nvestgacón sobre el equlbro de adsorcón de mezclas gaseosas bnaras de hdrocarburos, a través de un lecho fo con control de la fase fluda. Para ello se desarrolla un programa de smulacón, a través del cual se calculan en funcón del tempo, las concentracones del componente fuertemente adsorbdo, tanto en la fase fluda como en la fase sólda en dferentes puntos del lecho, desde la entrada hasta la salda del msmo. Estos procesos de separacón son etraordnaramente mportantes para países en desarrollo. En este estudo se desarrolla la aplcacón del método de resolucón por colocacón ortogonal, el cual permte transformar las ecuacones del balance de transferenca de matera en dervadas parcales envueltas en el proceso en un sstema de ecuacones ordnaras que son ntegradas luego por el Método de Euler. De esta forma, que la solucón de las ecuacones (concentracón en ambas fases), es encontrada en los dferentes puntos de colocacón dentro del lecho, consderados en el planteamento del problema. 5 5

15 El programa de nvestgacón planteado para este trabao consta de las sguentes etapas: Desarrollar un programa de smulacón, a través del cual, se calculen en funcón del tempo, las concentracones del componente fuertemente adsorbdo tanto, en la fase fluda como en la fase sólda en dferentes puntos del lecho desde la entrada hasta la salda del msmo. Estudar sstemas bnaros de mezclas gaseosas de hdrocarburos con dferentes tpos de adsorbentes, tomando en cuenta el control de la fase fluda (gaseosa), a condcones sotérmcas. El estudo de la nteraccón entre las fase gaseosa fluda y sólda del lecho empacado. Estudar los fundamentos teórcos y matemátcos que caracterzan el balance de transferenca de matera, entre el fludo crculante (fase gaseosa) y el lecho fo o materal adsorbente (fase sólda), en funcón de condcones operaconales mpuestas, en los sstemas de adsorcón de mezclas gaseosas bnaras. Defnr una estratega para selecconar adecuadamente los parámetros necesaros para obtener una separacón efcente de los sstemas planteados, en funcón de los adsorbentes sóldos usados. Proponer algunas condcones que permtan predecr meor adsorbente, según el tpo de mezcla bnara estudadas. Seleccón de los adsorbatos y adsorbentes adecuados. Obtencón de las sotermas de equlbro de adsorcón, tanto de componentes puros tomo de las mezclas elegdas. Reproduccón de los datos epermentales de los componentes puros medante dferentes modelos de sotermas teórcas y comprobacón de la valdez de la curva característca de equlbro de adsorcón propuesta por algunos nvestgadores. Aplcacón de dferentes modelos estentes en la bblografía a la predccón y reproduccón del equlbro de adsorcón de mezclas y comparacón de los resultados obtendos con los msmos. Estudo de la nfluenca de la composcón químca del adsorbente en el equlbro de adsorcón, tanto de componentes puros como de mezclas. La eleccón de los adsorbatos de uso común, se realzó por dos motvos. Por un lado, desde el metano y más pesados, son hdrocarburos comunes en las correntes de refnería. Por otro lado se ntentó utlzar una gama de adsorbatos que tuvese una sere de propedades dferentes como polarzabldad, peso molecular etc. para facltar el estudo de la nfluenca de la composcón químca del adsorbente en dstntos tpos de moléculas. 6 6

16 El obetvo de análss de este trabao se lmta al estudo de sstemas bnaros de mezclas de hdrocarburos con tres tpos de adsorbentes, con base en un programa de smulacón, tomando en cuenta el control de la fase fluda (gaseosa), a condcones sotérmcas y donde serán utlzados dversos problemas de prueba, obtendos de la lteratura, relaconada con problemas de optmzacón. Los sstemas bnaros a ser estudados estarían conformados por: Hdrocarburos lvanos. Los tpos de adsorbente sobre los cuales se realzará el estudo son: Carbón Actvado, Slca Gel, Tamces Moleculares. Una prmera parte donde se utlzó como sstema de estudo una mezcla gaseosa bnara de Metano-Etano para la cual se estudó en detalle el proceso de adsorcón en un lecho fo de Slca Gel de 40 % de porosdad. Para este sstema y en base a dversas condcones mpuestas se estudaron los efectos de equlbro, la capacdad de adsorcón y la dnámca de fluo. La segunda parte del trabao ncluye el análss sobre el comportamento de una mezcla gaseosa bnara de Metano-Etano fluyendo a través de un lecho de mallas moleculares, específcamente, Zeolta del tpo 5A. Se perseguía en este caso realzar un análss del proceso de adsorcón sueto a la varacón de parámetros admensonales que ntervenen en el cálculo de las concentracones del adsorbato tanto en la fase gaseosa como en la sólda. La fnaldad de hacer este estudo era poder vsualzar que a través de la estandarzacón de dchos parámetros se podría aumentar la facldad de dseño y epermentacón en los procesos de adsorcón, ya que, al tenerse a mano valores específcos los msmos, se facltaría la obtencón de resultados que en algún momento en partcular se puderan requerr. Para conclur esta parte ntroductora cabe destacar la mportanca del estudo de separacón de la sustancas menconadas anterormente que se manfesta a través de la aplcabldad practca o ndustral de cada una. 7 7

17 CAPITULO II FUDAMETOS DE ADSORCIÓ. COCEPTO DE ADSORCIÓ. La adsorcón es una operacón de separacón que se ha utlzado con fnes práctcos desde hace mucho tempo. Quzás, su prmera aplcacón está asocada a la observacón, en la antgüedad de que el agua tratada con carbón de madera tenía un sabor meor que el agua sn tratar. Ya en el sglo XV, se conocía la capacdad de certos materales para elmnar el color de dsolucones y en el sglo XVIII se comercalzaba un carbón de hueso para decolorar dsolucones de azúcar. A nvel ndustral, la adsorcón se utlzó por prmera vez, smultáneamente, en dos procesos. Uno fue desarrollado en Alemana por Bayer AG (Rousseau, 987) y consstía en la recuperacón de alcohol y benceno de correntes gaseosas. El otro proceso se desarrolló en U.S.A. por Unon Carbde Corporaton (Rousseau, 987) para recuperar etano e hdrocarburos pesados del gas natural. Moléculas o átomos nteractuando ndvdualmente o en grupo, son consderados como sstemas. S un sstema consste de una fase smple, es homogéneo, mentras que s consste de dos o más fases es heterogéneo. Cuando se trata con sstemas heterogéneos los bordes entre las fases se denomnan nterfase. Estos sstemas heterogéneos pueden estr tanto en estado de equlbro como de no-equlbro. Cuando la composcón de la fase permanece constante con el tempo se consdera que está en equlbro. S la composcón de la fase o sus parámetros termodnámcos camban con el tempo el sstema está en estado de no-equlbro. aturalmente, un cambo espontáneo en el estado de un sstema en no-equlbro conlleva haca el establecmento del estado de equlbro. En algunos sstemas heterogéneos que conssten en átomos, moléculas o ones, la nteraccón entre las fases va acompañada por una nteraccón químca o físca en la nterfase. Cuando una molécula bao movmento cnétco choca con una superfce (por eemplo, una nterfase) desde una dreccón cualquera, puede rebotar elástcamente con un ángulo de refleón gual al ángulo de ncdenca o la molécula puede permanecer en la superfce por un perodo de tempo y luego salr en una dreccón que no tene relacón alguna con aquella con la cual llego. Generalmente, el tempo de resdenca depende de la naturaleza de la superfce y la molécula, la temperatura de la superfce y la energía cnétca de la molécula. 8 8

18 Este fenómeno, nteraccón molecular o atómca en la superfce, puede ser observado en las nterfases entre gas y sóldo, gas y líqudo, líqudo y sóldos. En los casos donde el tempo de resdenca de una molécula en la superfce es muy corto, se dfculta determnar dcho tempo por medos convenconales físcos o químcos. Sn embargo, la estenca del fenómeno puede ser comprobada por el hecho de que un gas puede ser calentado por la superfce con la cual está en contacto. La nteraccón en la nterfase que envuelve la transcón de una molécula de una fase a otra puede ser consderada como la adhesón a ala molécula por una fase dada. El tpo de nteraccón entre las fases de un sstema heterogéneo depende de las propedades y composcón de todos los componentes del sstema. Desde el punto de vsta de la dstrbucón de la sustanca a ser adherda, dos tpos de adhesón pueden ocurrr: Adsorcón y Absorcón. La adsorcón toma lugar cuando las moléculas o átomos adherdos se concentran solamente en la nterfase, mentras que la absorcón se lleva a cabo cuando las moléculas o átomos se dstrbuyen en las masas de las fases nteractuantes. Como regla, la adsorcón toma lugar cuando una de las fases consste en un sóldo. La adsorcón de átomos ó moléculas sobre un sóldo desde una fase gaseosa es, por lo tanto, un proceso espontáneo y como tal está acompañado por un decrecmento en la energía lbre del sstema. El proceso envuelve pérddas de grados de lbertad. Por consguente, hay tambén un decrecmento en entropía. Así: Δ F ΔH - TΔS El proceso de adsorcón es sempre eotérmco e ndependente de los tpos de fuerzas de adsorcón envueltas. Es convenente señalar que no esten fuerzas especales para la adsorcón. Las fuerzas que motvan el proceso son las msmas que causan la cohesón en sóldos y líqudos y las cuales son responsables de la desvacón de los gases reales de las leyes de los gases deales. Las fuerzas báscas causantes de la adsorcón pueden ser dvddas en dos grupos: fuerzas ntermoleculares o de Van der Waals y fuerzas químcas, las cuales generalmente envuelven transferenca de electrones entre el sóldo y el gas. Dependendo sobre cual de estos dos tpos de fuerzas uega el 9 9

19 mayor papel en el proceso de adsorcón se puede dstngur entre adsorcón físca donde las fuerzas ntermoleculares ó de Van der Waals prevalecen y adsorcón químca, donde las fuerzas heteropolares y hemopolares causan la superfce de nteraccón. Así, s en el proceso de adsorcón, la ndvdualdad de la molécula adsorbda (adsorbato) y de la superfce (adsorbente) son preservadas, se tendrá una adsorcón físca. S entre el adsorbato y el adsorbente ocurre una transferenca o repartcón de electrones o s el adsorbato se rompe en átomos o radcales los cuales se desplazan separadamente, se tendrá una adsorcón químca. La adsorcón actualmente es una mportante operacón de separacón, compettva en muchos casos con la destlacón, la etraccón, la absorcón, etc. La mportanca relatva de la adsorcón frente a otras operacones cláscas de separacón como la destlacón, ha aumentado en los últmos tempos como consecuenca de la elevacón de los costes energétcos que favorece los procesos de mayor efcaca térmca. La rectfcacón (destlacón) es la operacón que se elge preferentemente frente al resto sempre que su uso sea vable, debdo a su sencllez y unversal aplcacón. Sn embargo, cuando la volatldad relatva de los componentes de la mezcla a separar es sufcentemente baa (en general nferor a.) y este un adsorbente adecuado para el sstema a tratar, o cuando las temperaturas de ebullcón llegan a ser muy etremas la adsorcón puede consttur la operacón de separacón más nteresante. La adsorcón consste esencalmente, en la retencón selectva de uno o más componentes (adsorbatos) de un gas o un líqudo en la superfce de un sóldo poroso (adsorbente). La defncón que propone la Internatonal Unon of Pure and Appled Chemstry (Sng, 985) es la sguente: es el enrquecmento, en uno o más componentes, de una superfce nterfacal. Otra defncón de lo que sgnfca adsorcón, es cuando se calfca como un fenómeno dnámco, de forma que las moléculas de adsorbato están contnuamente chocando con la superfce del sóldo adsorbente, adhréndose o adsorbéndose parte de ellas sobre éste. A su vez, contnuamente se están desorbendo las moléculas adsorbdas, por lo que, llega un momento en que cuanttatvamente el número de moléculas que se adsorben por undad de tempo es gual al de las que se desorben, llegando, de esta forma, al estado de equlbro dnámco. 0 0

20 En este equlbro puede ocurrr que la concentracón de adsorbato en la fase sólda sea mayor que en la fase gaseosa o vceversa. Esta propedad se puede aprovechar para el uso de la adsorcón como técnca de separacón y purfcacón. Atendendo a la dferente naturaleza de las fuerzas de atraccón adsorbato - adsorbente, puede dstngurse dos tpos de adsorcón: adsorcón físca (fssorcón) y adsorcón químca (qumsorcón). La adsorcón físca es un fenómeno que tene lugar sempre que se pone en contacto un sóldo con un gas. Las fuerzas ntermoleculares que ntervenen son las que provocan la separacón de los gases reales del comportamento deal y la condensacón de los vapores (fuerzas de Van der Waals y fuerzas dpolo - dpolo). La adsorcón químca es un fenómeno más selectvo y las fuerzas ntermoleculares que ntervenen son enlaces químcos. La adsorcón físca es la que se utlza a nvel ndustral como operacón de separacón, porque las fuerzas de atraccón relatvamente baas que esten entre el adsorbente y el adsorbato hacen que sea posble, medante técncas sencllas, la desorcón y por lo tanto la recuperacón tanto del gas adsorbdo como del adsorbente, que se puede utlzar para una nueva operacón. De aquí la mportanca de la desorcón en las operacones de separacón por adsorcón. ADSORBETES. Las operacones de adsorcón eplotan la capacdad especal de certos sóldos para hacer que sustancas específcas de una solucón se concentren en la superfce de la msma. De esta forma, pueden separarse unos de otros los componentes de solucones gaseosas o lqudas. En el campo de las separacones gaseosas, la adsorcón se utlza para deshumdfcar are y otros gases, para elmnar olores e mpurezas desagradables de gases ndustrales como dódo de carbono, para recuperar vapores valosos de dsolventes a partr de mezclas dludas con are y otros gases y para fracconar mezclas de gases de hdrocarburos que contenen sustancas como metano, etleno, etano, propleno y propano. Las separacones típcas de líqudos ncluyen la elmnacón de humedad dsuelta en gasolna, decoloracón de productos de petróleo y solucones acuosas de azúcar, elmnacón de sabor y olor desagradables del agua y el fracconamento de mezclas de hdrocarburos aromátcos y parafíncos. La escala de operacón va desde el uso de unos cuantos gramos de adsorbente hasta eceder los Kg.