La adsorción es el resultado de la atracción entre las moléculas de

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR
DECANATO DE ESTUDIOS DE POSTGRADO
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA
PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO
Grado académico al que aspira: Magíster en Ingeniería Química
Título del proyecto: Diseño de un proceso de adsorción que utilice materiales
lignocelulósicos en un lecho fluidizado inverso
RESUMEN
Se pretende realizar un proceso de adsorción en un lecho fluidizado con materiales
lignocelulósicos, dada las características de densidad presentadas por este tipo de
materiales, se considera la fluidización inversa como una alternativa viable, es por ello
que se evaluará y comparará está, con la fluidización clásica, a través del desarrollo
experimental en el laboratorio de carbón de la Universidad Simón Bolívar, además de
determinar las características de velocidad mínima de fluidización, caída de presión,
expansión del lecho, que mejor la favorecen, con lo cual se espera obtener una mayor
adsorción utilizando este tipo de sistema con respecto al lecho fluidizado convencional.
Fecha aproximada de culminación: Julio 2011
Sartenejas, Diciembre de 2010.
Ing. Ana Médicci
MSc. Narciso Pérez
Carnet: 0886675
Tutor Académico
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El deterioro del medio ambiente y los cambios climáticos observados en los
últimos años han traído como consecuencia que día a día sean más rigurosas las leyes y
normativas ambientales, obligando a crear procesos amigables con el mismo, en función
de esto, y considerando que la principal actividad económica del país es la actividad
petrolera (Gobierno en Línea: Economía.), se busca que los procesos y subprocesos sean
lo menos contaminantes posible.
El crudo venezolano usado en la industria petrolera se caracteriza por tener
condición que lo clasifican como pesado y extrapesado, además de ser rico en metales
como Ni y V, lo que trae como consecuencia que el proceso de refinación requiera de
un subproceso o etapa de coquización, cuya finalidad es convertir mediante los
productos más pesados y densos del proceso de destilación (residuales) en productos
más livianos, y del cual se obtiene: gas, alimentación catalítica, nafta y coque de
petróleo, un combustible sólido similar al carbón, este coque producido contiene un
elevado contenido de Ni y V. En la actualidad se emplean soluciones acidas para la
extracción de ellos; en pro de prolongar la vida útil de estas soluciones, el laboratorio de
carbón y residuales de petróleo de la Universidad Simón Bolívar (USB), estudia la
posibilidad de recuperar los licores ácidos resultantes, llevando a cabo varios trabajos de
investigación, como el realizado por Pérez et al. (2007), cuyos resultados señalan la
competividad de los materiales lignocelulósicos frente al carbón activado utilizando un
lecho fijo. Bueno y Matta (2009) estudiaron la factibilidad de emplear estos materiales
como adsorbente en lecho fluidizado, obteniendo como resultado un mayor
aprovechamiento del adsorbente y presentando como única limitante el tiempo de
obtención de los pellets a fluidizar, ya que debido al material lignocelulósico se necesita
realizar un pellet que cumpla con ciertos valores de densidad exigidos por el proceso de
fluidización. Es por ello que el presente trabajo pretende evaluar la adsorción mediante
la fluidización inversa, ya que con este, se puede trabajar con partículas con densidades
menores que la del liquido fluidizante, característica presente en los materiales
lignocelulósicos .
¿De qué manera la fluidización inversa favorece la adsorción con materiales
lignocelulósicos?
2
2. ANTECEDENTES Y BASES TEORICAS
2.1. Antecedentes
La siguiente investigación está fundamentada en una serie de trabajos realizados
en el laboratorio de carbón de la Universidad Simón Bolívar, en donde se busca llevar a
cabo el proceso de adsorción utilizando materiales lignocelulósicos.
En función de lo anteriormente mencionado, Pérez et al. (2007) demostraron que
los materiales lignocelulósicos se presentan como una alternativa de material
adsorbente, ya que presentan características similares al carbón activado. Apoyados en
esto, el Grupo de Tecnologías de Alternativas Limpias (TECall) llevó a cabo la
construcción, puesta en marcha y evaluación de una planta piloto que permite la
remoción de metales pesados de corrientes ácidas, las cuales provienen de la
desmetalización vía microondas del coque de petróleo, utilizando material
lignocelulósico como adsorbente en lecho fijo.
Casanova (2007) estudió la factibilidad de emplear una columna de adsorción de
lecho lignocelulósico fluidizado, aprovechando las ventajas que presentan estos
sistemas con respecto a la facilidad de control de temperatura, pero principalmente a las
grandes velocidades de transferencias de masa que alcanzan, utilizo un colorante de
bajo impacto ambiental (azul de metileno) como adsorbato y las partículas sólidas del
adsorbentes con movimiento al azar por el seno del líquido; con lo que evalúo, mediante
el desarrollo de diversas pruebas, la capacidad adsortiva de este material y determinó su
comportamiento en este en un lecho fluidizado.
Bianco y De Sousa (2008), realizaron el montaje, arranque y evaluación de una
planta de adsorción de metales pesados Ni y V sobre lignina a escala piloto, en donde se
revelaba tiempos de ruptura y de saturación superiores para el material ligninocelulósico
en comparación con el carbón activado, lo cual indico que este tipo de materiales
presentaban una mayor útil y una mayor capacidad adsortiva. En medio de todas estas
3
ventajas el sistema no lograba obtener una curva de ruptura ideal por ende existía una
capacidad no aprovechada del material ligninocelulósico.
Gómez y Vargas (2009), estudiaron la forma de mejorar la eficiencia de la
adsorción en un lecho fijo, para lo cual evaluaron el efecto del tamaño de partícula, así
como el efecto del tiempo de retención sobre la capacidad de adsorción de materiales
lignocelulósicos, encontrando que cuando el diámetro de columna entre diámetro de
partícula de material lignocelulósico es igual a 25, la columna presentaba una eficiencia
de un 87% de la altura del lecho y era capaz de remover el 70% del azul de metileno,
material utilizado como adsorbato.
Bueno y Matta (2010), siguiendo las recomendaciones realizadas por Casanova
(2007), profundizaron acerca de la factibilidad del
empleo de materiales
lignocelulósicos en lecho fluidizado, logrando obtener una partícula adsorbente con las
características necesarias y una isoterma favorable en el proceso de adsorción,
encontrando inconvenientes en la obtención de la partícula a fluidizar en función de la
relación tiempo por cantidad de partículas, ya que el procedimiento propuesto era
engorroso y no permitía una mayor producción en un mismo periodo de tiempo .
A continuación se presenta un resumen de las publicaciones que fueron
encontradas, en relación al uso de la fluidización inversa como una alternativa para
llevar a cabo la suspensión de materiales, con densidades menores que las del fluido.
.
Fan et al. (1981) analizaron las características hidrodinámicas fundamentales en
un lecho fluidizado inverso, estudiando los sistemas líquido-sólido y gas-líquido-sólido,
concluyendo que, aunque no se encontró para el sistema liquido-sólido una correlación
que representara la expansión esta se podía encontrar mediante una ecuación que
relaciona la porosidad con la velocidad, de igual forma para los sistemas gas-líquidosólido se propone dos modos de fluidización el primero siendo el liquido considerado
como una fase continua en el segundo siendo el gas la fase continua, con esto logran
correlacionar empíricamente la porosidad del lecho y el holdup del gas.
Nikov y Karamanev (1991) determinaron que las diferencias en la transferencia
de masa entre fluidización inversa y fluidización clásica se deben principalmente a las
4
diferentes direcciones del gas y del líquido y de los efectos inerciales de las partículas.
Proponen una correlación que describe la transferencia de masa en un lecho fluidizado
inverso mejor que los lechos fluidizados clásicos.
Karamanek y Nikolov (1992) estudiaron las características de la expansión del
lecho en fluidización inversa en dos fases, variando el diámetro de las esferas y sus
densidades, con la finalidad de encontrar un modelo matemático que relacionara la
expansión del lecho como una función de la velocidad del liquido, hallando un modelo
que predice los valores experimentales y atribuyendo
las diferencias que puedan
presentarse a la diferencia entre la inercia mecánica de las partículas ligeras y las
pesadas.
Vijaya et al. (2000) a través del estudio hidrodinámico del lecho fluidizado
inverso, más específicamente de la expansión del lecho y caída de presión en función
del diámetro de partícula, viscosidad y densidad del liquido, determinaron la velocidad
mínima de fluidización además de que esta se incrementaba con el aumento del
diámetro de las partículas y una disminución en la densidad de sólidos y es
independiente de la altura del lecho.
Renganathan y Krishnaiah (2003) estudiaron las características de la mezcla de
la fase líquida en dos fases liquido-solido en un lecho fluidizado inverso, determinando
que en la fase líquida aumenta el coeficiente de dispersión axial con el aumento de la
velocidad del líquido y el número de Arquímedes y es independiente de altura del lecho
estático.
2.2. Base teórica
La fluidización es un tema ampliamente utilizado en la industria química debido
a su gran gama de usos, se puede definir como, un proceso por el cual una corriente
ascendente de fluido (líquido, gas o ambos) se utiliza para suspender partículas sólidas.
(Kunii y Levenspiel, 1991).
5
Cuando se habla de lecho fluidizado, se describe la condición de las partículas
completamente suspendidas, toda vez que la suspensión se comporta como un fluido
denso. En el lecho fluidizado la fase sólida está suspendida en un líquido o en un gas.
Por tanto, el sólido se comporta como un fluido y se puede bombear, alimentar por
gravedad y manejarlo de una forma muy parecida a como si fuese un líquido.
Si el lecho está inclinado la superficie superior permanece horizontal y los objetos
grandes flotarán o descenderán en el lecho, dependiendo de su densidad relativa a la de
la suspensión. Los sólidos fluidizados pueden descargarse del lecho a través de tuberías
y válvulas como un líquido, y esta fluidez es la principal ventaja del uso de la
fluidización para el tratamiento de sólidos (McCabe, 1993 y Henley y Seader, 1990).
2.2.1 Tipos de Fluidización
Existen distintos tipos de fluidización, las cuales dependerán de la aplicación
que se le dará a esta.
a) Fluidización Gas-Sólido
Los lechos fluidizados en gas se agitan con las burbujas que se forman en la
parte baja del lecho. Cuando el tamaño de las burbujas llega a ser del tamaño del
diámetro de la columna, sus formas y propiedades cambian, convirtiéndose en lo que se
denominan slugs (Romero, 2006).
En este tipo de sistema, las partículas se clasifican en cuatro grupos de acuerdo a sus
características de fluidización:
Grupo Geldart A.
Son partículas de tamaño medio o de baja densidad, que tienden a formar
burbujas (regiones de bajo contenido de sólidos) cuando se fluidizan. Las burbujas de
gas ascienden más rápidamente que el gas que pasa entre las partículas. La
fragmentación y coalescencia de las burbujas es frecuente. El tamaño máximo de
burbuja es de aproximadamente 10 cm. El lecho se expande considerablemente antes de
que ocurra el burbujeo.
Grupo Geldart B.
Partículas más gruesas y más densas que las del grupo A, se forman burbujas tan
pronto como se excede la velocidad mínima de fluidización. El tamaño de burbuja es
6
independiente del tamaño de las partículas. El burbujeo es vigoroso, con burbujas que
aumentan de tamaño hasta ser comparables con el tamaño del lecho.
Grupo Geldart C.
Partículas muy finas (incluso polvos) en los que las fuerzas de cohesión son
dominantes. Son difíciles de fluidizar y tienden a levantarse de golpe. En lechos
grandes, se forman canalizaciones por donde fluye el gas sin lograr fluidizar las
partículas.
Grupo Geldart D.
Son partículas muy grandes y densas. Forman burbujas que chocan rápidamente
y aumentan de tamaño, pero que en general se mueven más lento que el resto de la fase
gaseosa que percola entre los sólidos.
El comportamiento caótico de los lechos fluidizados gas-sólido se debe principalmente
a la gran diferencia de densidades entre las dos fases. (Geldart, 1980; Kunii y
Levenspiel, 1991).
b) Fluidización líquido-sólido
Este tipo de sistemas se fluidizan de forma mucho más estable, debido
principalmente a una menor diferencia de densidades entre los sólidos y el líquido
fluidizante. La expansión del lecho es bastante uniforme para velocidades del fluido
desde fluidización mínima hasta la elutriación de las partículas. Además, la velocidad de
las partículas es más o menos uniforme en toda la columna. No hay formación de
burbujas, excepto en casos extremos en los que la velocidad del líquido sea muy alta y
la densidad de las partículas mucho mayor que la del líquido. Algunas otras
inestabilidades se pueden presentar en el lecho pero normalmente no afectan el
desempeño del lecho fluidizado (Yang, 2003)
c) Fluidización centrífuga
Se hace girar todo el sistema, de tal forma que la fuerza centrífuga actúa en vez
de la fuerza de gravedad. La tendencia de las partículas es de aglomerarse en la
periferia, del modo similar a la acumulación de partículas en el fondo de una columna
de fluidización bajo el efecto de la gravedad. El medio fluidizante se inyecta por la
7
periferia del sistema giratorio, empujando a las partículas hacia el centro del equipo,
donde el fluido es removido (Yang, 2003).
d) Vibro-fluidización
Emplea vibraciones mecánicas o acústicas (incluso en el rango de frecuencias
ultrasónicas) para promover la fluidización de polvos cohesivos. Las vibraciones
previenen la aglomeración de las partículas bajo la acción de las fuerzas de van der
Waals, permitiendo que el fluido pase entre las partículas manteniendo el estado de
fluidización del lecho (Yang, 2003).
e) Magneto-fluidización
Emplea campos magnéticos para modificar el comportamiento del lecho
fluidizado. Se puede prevenir la formación de burbujas en lechos gas sólido, promover
la formación de cadenas de partículas, e incluso crear una fuerza externa de origen
magnético que remplace a la gravedad en ambientes de gravedad reducida (Yang,
2003).
f) Electrofluidización
Emplea cargas y/o campos eléctricos para modificar el comportamiento del
lecho fluidizado. El efecto es similar al de la aplicación de campos magnéticos.
Cabe destacar que las más utilizadas son la fluidización gas-sólido y fluidización
liquido-sólido (Yang, 2003).
g) Fluidización Inversa
Se aplica cuando las partículas tienen una densidad menor que la del líquido
fluidizante. La operación de un lecho fluidizado convencional bajo estas condiciones es
imposible, ya que las partículas simplemente flotan y son arrastradas por la corriente. La
fluidización se hace posible alimentando el líquido por la parte superior de la columna,
de tal forma que la fuerza de arrastre empuje a las partículas hacia abajo, en contra de su
tendencia natural a ascender. (Yang, 2003).
8
2.2.2. Parámetros de Fluidización Inversa
a) Factor de forma
El diámetro equivalente de una partícula se define como el diámetro de una
esfera que tuviera el mismo volumen que esa partícula (Geankoplis, 1998). El factor de
forma ø (o de esfericidad øs) se define como la relación entre el área de una esfera con
un volumen equivalente de las partículas, dividido entre el área superficial de las
partículas (Perry y Green, 2008). Para una esfera, el área superficial es:
S p  Dp2
(1)
y el volumen:
D 3p
Vp 
6
(2)
Por lo tanto, para toda partícula
s 
D p2
Sp
(3)
donde Sp es el área superficial real de la partícula y Dp es el diámetro (equivalente) de
la esfera que tiene el mismo volumen de la partícula (Geankoplis, 1998). Entonces, a
partir de la ecuación que define la superficie específica de una partícula av en m-1:
av 
Sp
Vp
(4)
Se determina:
Sp Dp / s
6


3
Vp Dp / 6 sDp
(5)
9
Resultando:
av 
6
sDp
(6)
Entonces, puesto que (1- ε) es la fracción de volumen de las partículas del lecho:
a  av(1   )
(7)
Resulta:
a
6
(1   )
sDp
(8)
donde a es la razón entre el área superficial total del lecho y el volumen total del lecho
(volumen vacío más volumen de partículas) en m-1. ε es la fracción de vacío de la
partícula. Para una esfera, øs=1,0. Para un cilindro cuyo diámetro es igual a su longitud,
øs se calcula como 0,874, y para un cubo 0,806. En cuanto a los materiales granulares,
es difícil medir el volumen y el área superficial reales para poder obtener el diámetro
equivalente, así que Dp generalmente se toma como el tamaño nominal obtenido en un
análisis por mallas (tamices) o en mediciones visuales de longitud. El área superficial
está determinada por las mediciones de adsorción o por mediciones de la caída de
presión en un lecho de partículas.
b) Porosidad
La porosidad del lecho depende de la relación existente entre el diámetro de la
partícula, el diámetro del lecho, la rugosidad de las paredes de la columna, la presión y
la temperatura de operación (Guarneros, 2005). Para medir el porcentaje de poros en el
lecho, se utiliza la siguiente ecuación:

volumenLec ho  volumenPar ticula
volumenLec ho
(9)
10
c) Velocidad minima de fluidización y caída de presión
Teóricamente, la velocidad minima de fluidización deben ser las mismas tanto
para fluidización clásica e inversa dado que a ecuación de Ergun se basa en la premisa
principal de que la fuerza de arrastre del fluido que se mueve con una velocidad
superficial igual al peso de las partículas en el lecho. Por consiguiente en un lecho que
contiene partículas ligeras la fuerza del peso debe sustituirse por la fuerza de flotación.
(Karamanev y Nikolov, 1992).
 p 
g
(1   )(   p ) L
gc
(10)
Por consiguiente reordenando la ecuación de Ergun para la caída de presión en lechos
de relleno se obtiene:
pgc 150V0 (1   ) 2 1,75V02 (1   )



L
s 2 Dp 2 3
sDp 3
(11)
Aplicando la ecuación anterior al punto de fluidización incipiente se obtiene una
ecuación cuadrática para la velocidad de fluidización mínima U mf' :
150U mf' (1   M )
 s2 Dp 2 M3

1,75U mf'2
sDp M3
 g ( p   )
(12)
Para partículas muy pequeñas sólo es importante el término de flujo laminar en la
ecuación de Ergun. Para NRe,p < 1, la ecuación de la velocidad mínima de fluidización se
transforma en:
U
'
mf

g (  p   ) M3
150 (1   M )
 s2 D p2
(13)
Muchas ecuaciones empíricas establecen que U mf' varía con una potencia algo
inferior a 2,0 del diámetro de la partícula y es inversamente proporcional a la
viscosidad. Se producen ligeras desviaciones con respecto a los valores previstos para
11
los exponentes debido a que se comete algún error al despreciar el segundo término de
la ecuación de Ergun y a que la fracción de huecos  M puede cambiar con el tamaño de
partícula. Para partículas aproximadamente esféricas,
M
está generalmente
comprendida entre 0,40 y 0,45, aumentando ligeramente al disminuir el diámetro de la
partícula. (McCabe, 1993).
Por otra parte, Vijaya et al. (2000), propone una correlación para determinar la
velocidad minima de fluidización, que relaciona las dimensiones del número de
Reynolds y de Arquímedes, teniendo agua como fase liquida.
(Re p ) agua  0,233Arm0, 475
(R2=0,987)
(14)
d) Expansión del Lecho
El modelo de Richardson y Zaki, es el más utilizado debido a su simplicidad. Se
basa en la siguiente ecuación:
U
n
Ui
(15)
Donde el exponente n puede determinarse con las siguientes correlaciones:
n  (4,4  18
d
) Re t0,1 Para 1 Re t  200
D
(16)
n  4,4 Re t0,1 Para 200Re t 500
(17)
n  2,4 Para Re t 500
(18)
La velocidad superficial del fluido en ϵ=1 se puede calcular con la ecuación:
12
log U i  log U t 
d
D
(19)
Con Ut como la velocidad terminal, la cual se puede obtener por la ecuación:
Ut 
4(  p   ) gd
3C D
(20)
Donde el CD coeficiente de arrastre y se determina de la curva standard de arrastre
LnCD-LnRet. (Karamanev y Nikov, 2000; Fan et al. 1981).
e) Transferencia de masa
El estudio de transferencia de masa en un lecho fluidizado inverso, en el caso
liquido-sólido, en comparación con el lecho fluidizado inverso solo presenta diferencia
en cuanto a que las partículas en la fluidización inversa son mucho más ligeras, por ende
la única diferencia presente es la masa, esto se traduce en una mayor intensidad en el
movimiento en un lecho fluidizado inverso, debido a que las partículas ligeras presentan
menor inercia.
Se ha establecido que no hay ningún efecto de la velocidad superficial del
líquido sobre la tasa de transferencia de masa, pero si con el tamaño de partículas, un
aumento en el diámetro intensifica la transferencia de masa. Adicionalmente se
encuentra que cuanto mayor sea la viscosidad del líquido, menor será la
tasa de
transferencia de masa. Estas dependencias son las mismas, al menos cualitativamente,
en el lecho fluidizado inverso. (Nikov y Karamanev, 1991).
En consecuencia el coeficiente de transferencia de masa puede ser evaluado a
partir de varias correlaciones encontradas en la literatura para lechos fluidizados
clásicos. A continuación, se resumen en las tablas 1 y 2, algunas de las correlaciones y
su correspondiente uso (Perry y Green, 2008).
13
Tabla 1. Correlaciones de transferencia de masa para lechos fluidizados (Perry y Green,
2008; Geancoplis, 2003).
14
Tabla 2. Correlaciones de transferencia de masa para lechos fluidizados (Perry y Green,
2008).
2.3. Adsorción
La adsorción es el resultado de la atracción entre las moléculas de la superficie
del sólido (adsorbente) y las del fluido (adsorbato), en donde el fluido se pone en
contacto con las pequeñas partículas de adsorbente, hasta que el mismo esta
prácticamente saturado y no es posible alcanzar ya la separación deseada, este tipo de
atracción puede ser física o química y en cualquiera de los casos la eficacia dependerá
15
del equilibrio sólido-fluido y de las velocidades de transferencia de materia (McCabe,
1993, Richardson y Harker, 2002 e Izquierdo, 2004).
La principal ventaja de la fluidización inversa es las altas tasas de transferencia
de masa, así como el menor desgaste de sólidos, lo que lo hace una excelente alternativa
en procesos bioquímicos, biológicos aeróbicos y anaeróbicos, así como en tratamiento
de aguas residuales (Fan, 1989), en donde se han centrado sus usos, pero estas
características también la hacen una buena opción para el proceso de adsorción.
2.3.1 Tipos de Adsorción
La adsorción física se debe a fuerzas de atracción secundarias (Van der Waals),
como las interacciones dipolo-dipolo, y se asemeja a la condensación de las moléculas
de un vapor sobre un liquido de la misma composición. La adsorción física tiene un
gran interés en la catálisis por sólidos, pues proporciona un método de medida de áreas
superficiales de catalizadores, de tamaño de poros y de la distribución de los mismos.
La quimisorción o adsorción química implica formación de enlaces químicos. Se
asemeja
a una reacción química y requiere una transferencia de electrones entre
adsorbente y adsorbato. La importancia de la quimisorción es esencial, pues casi todas
las reacciones catalizadas por un sólido requieren como etapa intermedia en el proceso
global la quimisorción de uno o mas reactantes. Identificar y conocer como se
comportan las especies quimisorbidas es primordial para comprender los mecanismos
catalíticos reales. Asimismo, la quimisorción, es la base de una técnica de
determinación del área específica de un componente particular del catalizador, por
ejemplo un metal, a diferencia del área específica total que se determina por adsorción
física.
La evidencia de que hay quimisorción en casi todas las reacciones catalizadas
por sólidos surge de diversas observaciones. En primer lugar, si un sólido afecta la
velocidad de reacción de un fluido, este hecho debe implicar a moléculas de fluido muy
próximas a la superficie del sólido y, presumiblemente algún tipo de adsorción debe
haber tenido lugar durante un lapso de tiempo finito. En segundo lugar, muchas
reacciones catalíticas transcurren a temperatura tan altas que la adsorción física no
16
puede tener lugar en una extensión significativa, por ello la adsorción tiene que ser de
naturaleza química. En tercer lugar, en general, la actividad química es directamente
proporcional a la capacidad para quimisorber uno o mas reactantes. Finalmente, las
fuerzas que participan en una adsorción física son mucho más débiles que las
implicadas en un enlace químico. Es difícil que la adsorción física pueda originar una
distorsión en los campos de fuerzas de las moléculas suficientemente grande para
causar un efecto apreciable en su reactividad. (Izquierdo, 2004).
Algunos criterios de distinción entre los dos fenómenos se muestran a
continuación:
Tabla 3. Propiedades de la adsorción física y de la quimisorción. (Carballo, 2002).
Características
Adsorción Física
Quimisorción
Adsorbente
Todos los sólidos
Algunos sólidos
Adsorbato
Todos los gases por debajo del
Algunos
punto crítico
activos
Intervalo de temperatura
Temperatura baja
Generalmente temperaturas altas
Calor de adsorción
Bajo, del orden (∆Hliq), calor de
Del orden de la entalpía de
condensación
reacción, alto.
Muy rápida, energía baja de
No
activación
activación
Activado, energía alta.
Cubrimiento
Multicapas
Monocapa o menor
Reversibilidad
Alta reversibilidad
Puede ser reversible
Importancia
Para la determinación de área
Para
superficial total y distribución
concentración
del tamaño de poro
velocidades
Velocidad
y
energía
de
gases
químicamente
activado,
la
energía
baja.
determinación
de
superficial,
de
adsorción
y
desorción, estimación de centros
activos y explicación de la
cinética
de
las
reacciones
superficiales.
17
Cabe descartar que en la quimisorción los nuevos enlaces formados en la
superficie metálica son siempre en alguna medida polares debido a la diferencia de
electronegatividad entre los átomos. Esto produce un cambio en el número de electrones
de conducción en el sólido, lo cual puede ser fácilmente puesto en evidencia a través de
medidas de conductividad eléctrica. En la fisisorción no ocurren tales cambios.
(Carballo, 2002).
2.3.2. Equilibrio
La mayoría de los datos experimentales con respecto a la adsorción representan
mediciones de equilibrio, su comportamiento dependerá de las fases involucradas y de
la relación entre la concentración en la fase fluida y la concentración en las partículas de
adsorbente a una temperatura determinada, estas relaciones se ven representadas por las
isotermas de adsorción.
Existen algunas formas típicas de isotermas (ver figura N° 1.), la isoterma lineal
pasa por el origen de coordenadas y la cantidad adsorbida es proporcional a la
concentración en el fluido; las isotermas que son convexas hacia arriba se denominan
favorables, debido a que puede obtenerse una carga relativamente elevada del sólido
para una baja concentración en el fluido; la isoterma de Langmuir, W = bc/(l + Kc),
donde W es la carga de adsorbato, c es la concentración en el fluido y b y K son
constantes, es del tipo favorable; cuando Kc » 1, la isoterma es altamente favorable,
mientras que cuando Kc < 1 la isoterma es prácticamente lineal, a pesar de que la
isoterma de Langmuir, tiene una base teórica sencilla, no permite ajustar bien un
elevado número de sistemas de adsorción física, la ecuación empírica de Freundlich, W
= bcm, donde m < 1, conduce generalmente a un mejor ajuste que Langmuir,
especialmente para la adsorción a partir de líquidos. El caso límite de una isoterma muy
favorable es la adsorción irreversible, donde la cantidad adsorbida es independiente de
la disminución de concentración hasta valores muy bajos. Todos los sistemas presentan
una disminución de la cantidad adsorbida al aumentar la temperatura y, por supuesto, el
adsorbato puede desorberse aumentando la temperatura, aun para los casos titulados
«irreversibles». Sin embargo, la deserción requiere una temperatura mucho más elevada
cuando la adsorción es muy favorable o irreversible que cuando las isotermas responden
a un modelo lineal. Una isoterma que es cóncava hacia arriba recibe el nombre de
18
desfavorable debido a que se obtienen cargas del sólido relativamente bajas y a que
conducen a largas zonas de transferencia de materia en el lecho. Si la isoterma de
adsorción es favorable, la transferencia de materia desde el sólido hacia la fase fluida
tiene características similares a las de la adsorción con una isoterma desfavorable.
(McCabe, 1991)
Figura 1. Tipos de Isotermas de adsorción. (McCabe, 1991)
2.3.3. Curva de Ruptura
Los perfiles de concentración (C/C0) se pueden predecir y utilizar para calcular
la curva de concentración frente al tiempo para el fluido que abandona el lecho, esta
curva recibe el nombre de curva de ruptura (figura N° 2), donde C/C0 es la relación de
concentraciones correspondiente al fluido y a la alimentación. Después de pocos
minutos de iniciar el proceso de adsorción el sólido adsorbente comienza a saturarse,
para los tiempos t1 y t2 la concentración a la salida es prácticamente cero. El gradiente
de concentración adquiere la forma de S, tal como se observa en la curva; la mayor
parte del cambio de concentración tiene sus limites frecuentemente entre C/C0 = 0,95 a
0,05. La concentración en la fase fluida en equilibrio con el sólido tiene que ser siempre
menor que la concentración real en el fluido, y la diferencia de concentraciones, o
19
fuerza impulsora, es considerable cuando el perfil de concentración es brusco y la
transferencia de materia es rápida.
Terminación del Lecho
Punto de quiebre
Curva idealizada para
transferencia de masa
infinitamente rápida.
Figura 2. Curva de ruptura para adsorción (McCabe, 1993)
Después de cierto tiempo, t3, la concentración del soluto en el efluente ha
aumentado bruscamente hasta un valor apreciable. En tb se dice que el sistema ha
alcanzado el “punto de ruptura”. Con frecuencia el punto de ruptura se toma como una
concentración relativa de 0,05 o 0,l0 y, puesto que solamente la última porción de fluido
tratado posee la concentración más elevada, la fracción media de soluto separado desde
el comienzo hasta el punto de ruptura es con frecuencia 0,99 o superior. Si la adsorción
se continuase más allá del punto de ruptura, la concentración aumentaría rápidamente
hasta aproximadamente 0,5 y después se acercaría más lentamente hasta l,0, tal como se
observa en la Figura N° 2. Esta curva en forma de S es similar a la de los perfiles de
concentración interna. Mediante un balance de materia se puede demostrar que el área
limitada por la curva y la ordenada para c/co = 1,0 es proporcional a la cantidad total de
soluto adsorbido si todo el lecho alcanza el equilibrio con la alimentación. El área hasta
el tiempo t, del punto de ruptura representa la cantidad real adsorbida. Si la zona de
transferencia de materia es estrecha con relación a la longitud del lecho, la curva de
ruptura será más brusca, como en la Figura 3a, y se utilizará la mayor parte de la
capacidad del sólido hasta el punto de ruptura
Figura 3. Curvas de ruptura para: (a) una estrecha; (b) una amplia zona de transferencia
de materia. (McCabe, 1991)
20
Cuando la zona de transferencia de materia coincide con la altura del lecho, la
curva de ruptura está muy extendida, como en la Figura 3b, y se utiliza menos de la
mitad de la capacidad del lecho. Es deseable una estrecha zona de transferencia de
materia para una utilización eficaz del adsorbente y para reducir los costes de energía en
la regeneración. En el caso ideal de existir resistencia a la transferencia de materia y
dispersión axial, la zona de transferencia de materia sería infinitamente estrecha y la
curva de ruptura sería una línea vertical desde 0 hasta 1,0 cuando todo el sólido está
saturado. (McCabe, 1991).
Tomando en cuenta que en los lechos fluidizados se asegura el contacto del
fluido con toda la superficie de la partícula sólida, lo que aumenta superficie de
contacto, por lo tanto se espera obtener una curva de ruptura muy similar a la idealizada,
en donde la capacidad no utilizada es casi nula. Caso contrario a lo ocurrido en un lecho
fijo en donde se observa la no idealidad, la cual implica una zona de perdida de soluto y
de capacidad no utilizada amplia.
2.3.4. Longitud sin Utilizar del Lecho (LUB)
Este método da una buena aproximación en el calculo de la rapidez de
adsorción, cuando se carece de los valores de los coeficientes de masa de la fase fluida y
de la fase sólida, consiste en considerar la transferencia de masa infinitamente rápida de
forma que la curva de ruptura seria una línea vertical en el tiempo (θs) (ver figura 4).
Entonces, la zona de adsorción puede reducirse, idealmente, a un plano, con la longitud
del lecho Z. hacia arriba del plano en la concentración XT y la longitud Z - Zs, hacia
abajo igual a la longitud sin utilizar del lecho (LUB). En la ruptura, la longitud del lecho se
toma como la suma de LUB y una longitud saturada con soluto en equilibrio con la
corriente de alimentación. Si V = velocidad de avance del “plano de adsorción”,
entonces a cualquier tiempo, Z = Vθ en el tiempo θs, Z = Vθ en la ruptura, Zs = V θs
LUB  Z  Z s  V ( s   B ) 
Z
( s   B )
s
(21)
21
Figura 4. Curva de ruptura idealizada para transferencia de masa infinitamente rápida.
(Treybal, 2004.)
Recientemente, el interés por encontrar nuevos usos para los materiales
lignocelulósicos y siendo estos una fuente renovable de materia prima, se ha
demostrado la capacidad adsortiva de este tipo de materiales adjudicándole esta
característica a la interacción metal-oxigeno. (Pérez et al. 2009).
2.4 Materiales Lignocelulósicos
Son un recurso natural, abundante y renovable esencial para el funcionamiento
de la sociedad industrial y fundamental para el desarrollo de una economía mundial
sostenible, como los productos de madera y papel, que han desempeñado un rol
importante en la evolución de la civilización. Están constituidos por lignina, celulosa y
hemicelulosa, que varían cuantitativamente de acuerdo con el material de la planta. (Hu,
2008)
22
3. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
La búsqueda de alternativas ecológicas y el aprovechamiento de los recursos
naturales y no naturales, ha llevado al desarrollo de procesos donde se prolongue la
vida útil de los reactivos.
En función de los resultados obtenidos por Vargas y Gómez (2009) los cuales
logran obtener la mayor eficiencia observada en un lecho fijo y considerando que esta
fue de solo un 70% y apoyándose en los resultados en cuanto a adsorción en lecho
fluidizado con materiales ligninocelulósicos y las limitantes encontradas por Bueno y
Mata (2010), se propone la adsorción con material lignocelulósicos en fluidización
inversa, con lo que se espera obtener una mayor adsorción, lo que se reflejara en una
curva de ruptura ideal con una capacidad de adsorbente no utilizada nula o muy cercana
a cero.
23
4. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
En la sección de planteamiento del problema se propuso como pregunta de
investigación. En armonía y correspondencia con la pregunta planteada se proponen los
siguientes objetivos:
4.1. Objetivo General
Diseñar un proceso de adsorción que utilice materiales lignocelulósicos en un lecho
fluidizado inverso
4.2. Objetivos específicos
Los objetivos específicos que se han propuesto para este trabajo son los siguientes:

Identificar los parámetros que afectan la fluidización inversa.

Comparar el proceso de adsorción en fluidización inversa y en fluidización
clásica.

Determinar la influencia de la fuente en la adsorción fluidizada inversa.

Determinar la influencia del tamaño de partícula.

Comparar la capacidad adsorbente de los materiales ligninocelulósicos en
fluidización inversa utilizando diferentes adsorbatos.
24
5. DESCRIPCIÓN METODOLÓGICA
A continuación se describe la metodología a utilizar para llevar a cabo los
objetivos planteados, la cual se llevara en 3 etapas:
1. Etapa: Revisión
Se revisará y estudiará las investigaciones realizadas sobre fluidización inversa,
en pro de determinar los parámetros que afectan a la misma.
2. Etapa: Experimental
Una vez definidos los parámetros se procederá a realizar el montaje
experimental en el laboratorio de carbón de la Universidad Simón Bolívar, para llevar a
cabo la evaluación de los mismos.
3. Etapa: Análisis de resultados.
Se realizara un análisis estadístico de resultados, producto del diseño
experimental, en el cual se utilizara el análisis factorial 2 n en donde n representa el
número de variables. Luego de determinar el comportamiento de las variables
analizadas, se realizara método taguchi con el cual se determinara la influencia de estas
variables en el parámetro estudiado. Esta etapa se llevara a cabo en varias fases:
Fase a: Evaluación de parámetros y determinación de sus influencias en la
fluidización inversa.
Variables: Velocidad mínima de fluidización.
Caída de presión.
Expansión del lecho.
C/C0
Tiempo.
Parámetros: Alto = ↑
Bajo = ↓
Estos parámetros se definirán al comenzar la fase experimental
25
Tabla 4. Análisis factorial 2n para la evaluación de parámetros y determinación de su
influencia en la adsorción con materiales ligninocelulósicos en lecho fluidizado inverso.
Velocidad
minima de Expansión
fluidización del lecho
Experimento
Caída de
presión
1
↑
↑
2
↑
3
C/Cₒ
Tiempo
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↓
↑
↑
↑
↓
↑
4
↑
↑
↓
↑
↑
5
↑
↓
↑
↑
↑
6
↓
↑
↑
↑
↑
7
↑
↑
↑
↑
↑
8
↑
↑
↑
↑
↓
9
↑
↑
↑
↓
↑
10
↑
↑
↓
↑
↑
11
↑
↓
↑
↑
↑
12
↓
↑
↑
↑
↑
13
↑
↑
↑
↑
↑
14
↑
↑
↑
↑
↓
15
↑
↑
↑
↓
↑
16
↑
↑
↓
↑
↑
17
↑
↓
↑
↑
↑
18
↓
↑
↑
↑
↑
19
↑
↑
↑
↑
↑
20
↑
↑
↑
↑
↓
21
↑
↑
↑
↓
↑
22
↑
↑
↓
↑
↑
23
↑
↓
↑
↑
↑
24
↓
↑
↑
↑
↑
25
↑
↑
↑
↑
↑
26
↑
↑
↑
↑
↓
27
↑
↑
↑
↓
↑
28
↑
↑
↓
↑
↑
29
↑
↓
↑
↑
↑
30
↓
↑
↑
↑
↑
31
↑
↑
↑
↑
↑
32
↑
↑
↑
↑
↓
26
Fase b: Influencia de la fuente en la adsorción.
Variables: Fuente 1
Fuente 2
Fuente 3
Tabla 5. Determinación de la influencia de la fuente en la adsorción.
Parámetro
Fuente 1
Fuente 2
Fuente 3
C/Cₒ
Fase c: Influencia tamaño de partícula.
Variable: Dp1
Dp2
Dp3
Dp4
Dp5
Tabla 6. Determinación de la influencia de partícula.
Experimento
Dp1
Dp2
Dp3
Dp5
C/Cₒ
Fase d: Capacidad adsorbente del material ligninocelulósico.
Variable: Adsorbato 1
Adsorbato 2
Adsorbato 3
27
Tabla 7. Determinación de la capacidad absortiva del material ligninocelulósico
frente a distintos adsorbatos.
Experimento
Adsorbato
1
Adsorbato
2
Adsorbato
3
C/Cₒ
Fase e: Aplicación del método taguchi.
Pasos a seguir para aplicar el Método Taguchi:
* Determinación de la Característica de Calidad a ser Optimizada.
El cual será el parámetro cuya variación tiene el efecto más crítico en los
resultados a obtener. Esto sera la variable respuesta a ser observada.
* Identificar los Factores de Ruido y las Condiciones de la Prueba:
Se identificaran los factores de ruido que puedan tener un impacto
negativo en el sistema de respuesta. Los factores de ruido son aquellos
parámetros que no pueden ser controlados. Los factores ruido incluyen
variaciones en las condiciones del medio ambiente, deterioro de los equipos por
el uso y las variaciones en los resultados con las mismas condiciones iniciales o
de entrada.
* Definir los Factores de Control y sus Niveles:
El tercer paso es la identificación de los factores a controlar, estos
factores serán los que tengan un efecto significativo en los resultados a obtener
(característica de calidad). Los niveles para cada factor serán escogidos en este
punto. El número de niveles con el cual está asociado cada factor define la
región experimental.
* Diseñe la Matriz del Experimento y Defina los Procedimientos de Análisis
de Datos:
28
Primero se escoge arreglo ortogonal apropiado para el ruido y los factores de
control el cual debe encajar con los parámetros que ya han sido seleccionados.
Para ello Taguchi posee muchos arreglos ortogonales estándares (Taguchi y
Konishi, 1987).
Luego de la selección del arreglo ortogonal, el procedimiento para el análisis
de los resultados debe ser definido, para posteriormente proceder al análisis de
la señal/ ruido.
La forma particular de de esta relación depende del tipo de característica
de calidad, las cuales pueden ser de tres tipos:
* Tipo B: Mayor es mejor
S
1
1
 10  log(   2 )
N
N
y
(22)
* Tipo S: Menor es mejor
S
1
1
 10  log(   2 )
N
N
y
(23)
* Tipo N: Nominal es mejor
~
S
y
 20  log
N
s
(24)
Dependiendo de la característica de la calidad, se escogerá la forma de la
señal ruido, la cual se calcula para cada combinación de los factores de diseño
para luego graficar esta en función de los factores y así escoger la combinación
óptima.
29
6. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
ACTIVIDAD
Determinación
parámetros
Sep-Dic 2010
Ene-Mar 2011
Abr-Jul 2011
de
Comparación
Fluidización
inversa- clásica
Influencia
fuente
de
la
Influencia
del
tamaño de partícula
Capacidad
adsorbente
de
distintos materiales
Ejecución de
cálculos
los
Presentación
30
7. REFERENCIAS
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