ingeniería conceptual y básica de una planta piloto de adsorción

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
Decanato de Estudios de Postgrado
Maestría en Ingeniería Química
TRABAJO DE GRADO
INGENIERÍA CONCEPTUAL Y BÁSICA DE UNA PLANTA PILOTO
DE ADSORCIÓN PARA EL ESTUDIO Y EVALUACIÓN DE ADSORBENTES
por:
Johliny del Carmen Casanova Parra
Sartenejas, Enero de 2009
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
Decanato de Estudios de Postgrado
Maestría en Ingeniería Química
INGENIERÍA CONCEPTUAL Y BÁSICA DE UNA PLANTA PILOTO
DE ADSORCIÓN PARA EL ESTUDIO Y EVALUACIÓN DE ADSORBENTES
Trabajo de Grado presentado a la Universidad Simón Bolívar por:
Johliny del Carmen Casanova Parra
Como requisito parcial para optar al grado de:
Magíster en Ingeniería Química
Realizado con la tutoría del Profesor:
Alejandro Requena
Sartenejas, Enero de 2009
4
DEDICATORIA
A MIS PADRES:
POR ILUMINAR MI VIDA
AYER, HOY Y SIEMPRE
5
AGRADECIMIENTOS
A DIOS por darme la fortuna de poder lograr esta meta, y de mostrarme que la vida siempre
tiene algo positivo.
A mis padres LIGIA y JOHNNY por ser siempre mis apoyos incondicionales, mis guías, y
permitirme gracias a su amor lograr esta etapa de mi formación. A mi hermano JOHNNY, por
su apoyo en todo este tiempo.
A JUAN, por estar siempre a mi lado y apoyarme en cada momento, por comprenderme y
darme todo su amor.
A la sección de Procesos Químicos de la USB, por haberme brindado la oportunidad de
laborar con ustedes. A la Profesora LUISA ANGÉLICA DELGADO, sin ella no hubiese sido
parte del grupo TECALL. Al profesor ALEJANDRO REQUENA, por ser mi tutor durante
este proyecto. A NARCISO PÉREZ, porque además de ser mi asesor en esta investigación, me
ha brindado su amistad y su confianza. Al profesor DIMAS ROMÁN por mostrarme una
visión distinta de las cosas. A las profesoras GLADYS y MÓNICA por sus consejos y apoyo.
Al Programa Alfa Lignocarb 0412 FAFI de la Comunidad Económica Europea, el Proyecto G200500432 del FONACIT.
A DIEGO, ARMANDO y CLARA, que más que compañeros de Laboratorio se convirtieron
en mis amigos.
A los demás tesistas del Laboratorio, en especial, DANIELA, MAYERLIM, JENNY, DAVID,
JACKELINE, con los que he compartido las cosas buenas y no tan buenas del trabajo
experimental, por siempre estar dispuestos a ayudarme y acompañarme para lograr esta meta y
además por convertirse en mis amigos.
En general a mis amigos, por siempre estar pendientes de mi y del desarrollo de este proyecto.
A todos los que de una u otra forma participaron en la realización de este proyecto.
vi
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
Decanato de Estudios de Postgrado
Maestría en Ingeniería Química
INGENIERÍA CONCEPTUAL Y BÁSICA DE UNA PLANTA PILOTO
DE ADSORCIÓN PARA EL ESTUDIO Y EVALUACIÓN DE ADSORBENTES
Trabajo de Grado presentado a la Universidad Simón Bolívar por:
Johliny del Carmen Casanova Parra
Como requisito parcial para optar al grado de:
Magíster en Ingeniería Química
Realizado con la tutoría del Profesor:
Alejandro Requena
RESUMEN
Para garantizar la factibilidad técnica de los procesos de adsorción con residuos industriales a gran
escala (al menor costo posible), se pueden realizar pruebas en plantas pilotos que permiten conocer el
comportamiento dinámico y las variables operacionales del proceso. En este sentido el objetivo
principal de este trabajo es diseñar una planta piloto de adsorción para el estudio y evaluación de
adsorbentes a ser instalada en la USB que permita observar la influencia de las variables involucradas
y el escalamiento a mayores tamaños. El diseño de esta planta piloto de adsorción implicó el
desarrollo de las siguientes etapas: Visualización, Ingeniería Conceptual e Ingeniería Básica. Entre las
aplicaciones que se espera tenga la planta piloto diseñada está la evaluación de bioadsorbentes
lignocelulósicos utilizados para la remoción de metales pesados del licor ácido producto del proceso
de desmetalización vía microondas de coque venezolano. La lignina que ya ha sido probada en la
remoción de Níquel y Vanadio a escala de laboratorio, también permitirá el estudio de adsorbentes de
diferentes granulometrías. La planta diseñada tiene una capacidad de 10 L/h, permitiendo operar con
diferentes sistemas adsorbente-adsorbato, la planta trabajará de forma semi-continua por 6 h
incluyendo acondicionamiento y lavado de la planta. Para el dimensionamiento de los equipos se
realizaron estudios experimentales y se utilizaron modelos matemáticos macroscópicos que
permitieron llevar a cabo el escalamiento desde una escala banco a la piloto por medio de la teoría de
la semejanza; además se realizó un análisis del impacto ambiental generado al instalar la planta.
Adicionalmente se realizó la estimación de costos con base en los resultados del diseño de la planta
piloto. Concluyéndose que la instalación de la planta piloto de adsorción para el estudio y evaluación
de adsorbentes es técnica y económicamente factible.
Palabras Claves: Adsorción, Planta Piloto, Etapas de Diseño, Lignina, Metales Pesados.
____________________
Johliny Casanova
____________________
Alejandro Requena
vii
ÍNDICE
NOMENCLATURA..................................................................................................................xv
CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN...............................................................................................1
1.1. Objetivo General ..............................................................................................................8
1.2. Objetivos Específicos .......................................................................................................8
1.3. Alcance .............................................................................................................................9
CAPÍTULO II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS .......................................................................11
2.1. ADSORCIÓN.................................................................................................................11
2.1.1. Tipos de adsorción...................................................................................................12
2.1.2. Equilibrio de adsorción............................................................................................14
2.1.3. Transferencia de Masa.............................................................................................19
2.2. BIOADSORCIÓN ..........................................................................................................20
2.3. EQUIPOS DE ADSORCIÓN.........................................................................................22
2.3.1. Adsorbedores de Tanque Agitado ...........................................................................23
2.3.2. Adsorbedores Continuos .........................................................................................23
2.3.3. Adsorbedores de Lecho Fijo....................................................................................23
2.4. ADSORCIÓN EN LECHOS FIJOS...............................................................................24
2.4.1. Descripción del proceso de adsorción en lecho fijo ................................................24
2.4.2. Curva de Ruptura.....................................................................................................25
2.4.3. Factores que determinan la forma de la curva de ruptura........................................27
2.5. MODELOS MATEMÁTICOS ......................................................................................29
2.5.1. Modelo de Michaels (MTZ) ....................................................................................31
2.5.2. Modelo de Hutchins (BDST)...................................................................................38
2.5.3. Modelo de Lecho Muerto (LUB).............................................................................41
2.6. ADSORBENTES A ESTUDIAR...................................................................................46
2.6.1. Lignina.....................................................................................................................46
2.6.2 Carbón Activado.......................................................................................................48
2.7. PLANTAS PILOTO .......................................................................................................48
2.8. ESCALAMIENTO DE PROCESO................................................................................51
2.8.1. Teoría de la semejanza ............................................................................................52
2.8.2 Pruebas Rápidas en Columnas a escala laboratorio (RSSCT)..................................58
2.9. ETAPAS PARA EL DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO........................................66
2.9.1. Visualización ...........................................................................................................66
2.9.2. Ingeniería Conceptual..............................................................................................66
2.9.3. Ingeniería Básica .....................................................................................................68
CAPÍTULO III. METODOLOGÍA...........................................................................................71
Fase I – Obtención de las variables operacionales a escala laboratorio ................................71
3.1. Obtención de la Curva de Ruptura .................................................................................72
3.1.1. Visualización, desarrollo y montaje del sistema de adsorción a escala laboratorio 72
3.1.2. Curvas de Ruptura ...................................................................................................74
viii
3.1.3 Perfil de pH en la Torre............................................................................................ 75
3.1.4. Relación saturación del adsorbente y pH de la solución de salida.......................... 76
3.1.5. Relación cantidad de adsorbente y diámetro de la columna sobre la curva de
ruptura ............................................................................................................................... 76
3.1.6. Influencia de la altura de la columna sobre la curva de ruptura.............................. 77
3.2. Uso de Modelos Matemáticos ........................................................................................ 77
3.2.1 Modelo de Michaels (MTZ)..................................................................................... 77
3.2.2. Modelo de Hutchins (BDST) .................................................................................. 78
3.2.3. Método de Lecho Muerto (LUB) ............................................................................ 78
3.3. Análisis del Escalamiento .............................................................................................. 78
Fase II – Diseño de la Planta................................................................................................. 79
CAPÍTULO IV. OBTENCIÓN DE VARIABLES OPERACIONALES PARA EL DISEÑO
DE UNA PLANTA PILOTO DE ADSORCIÓN ..................................................................... 81
Fase I - Obtención de las variables operacionales a escala laboratorio ................................ 81
4.1. Obtención de las Curvas de Ruptura .............................................................................. 81
4.1.1. Visualización, desarrollo y montaje del sistema de adsorción a escala laboratorio 82
4.1.2. Curvas de Ruptura................................................................................................... 89
4.1.3 Perfil de pH en la Torre............................................................................................ 97
4.1.4. Relación saturación del adsorbente y pH de la solución de salida.......................... 98
4.1.5. Relación cantidad de adsorbente y diámetro de la columna sobre la curva de
ruptura ............................................................................................................................... 99
4.1.6. Influencia la altura de la columna sobre la curva de ruptura ................................ 100
4.2. Modelos Matemáticos .................................................................................................. 104
4.2.1 Modelo de Michaels (MTZ)................................................................................... 104
4.2.2. Modelo de Hutchins (BDST) ................................................................................ 108
4.2.3. Método de Lecho Muerto...................................................................................... 114
4.3. Análisis del Escalamiento ............................................................................................ 115
Fase II – Diseño de la Planta............................................................................................... 119
4.4. Visión de la planta de adsorción a escala piloto........................................................... 119
4.5. Diagrama de Bloques del Proceso................................................................................ 121
4.6. Bases de Diseño ........................................................................................................... 122
4.6.1. Características y Condiciones de la Alimentación................................................ 122
4.6.2. Especificaciones de Productos Finales.................................................................. 125
4.6.4. Servicios Industriales ............................................................................................ 126
4.6.5 Manejo y Disposición de Emisiones, Efluentes y Desechos.................................. 127
4.6.6. Requerimientos de Almacén ................................................................................. 128
4.6.7. Condiciones del Lugar .......................................................................................... 130
4.6.8. Códigos y Normas aplicables................................................................................ 130
4.7. Criterios de Diseño....................................................................................................... 130
4.7.1. Tuberías................................................................................................................. 131
4.7.2. Bombas.................................................................................................................. 131
4.7.3. Tanques de Almacenamiento ................................................................................ 132
4.7.4. Tanques de Agitación............................................................................................ 132
4.7.5. Columnas de Adsorción ........................................................................................ 133
4.7.6. Filtros .................................................................................................................... 133
4.7.7. Tolva...................................................................................................................... 134
ix
4.8. Capacidad de la Planta Piloto .......................................................................................134
4.8.1. Límites de capacidad. ............................................................................................135
4.9. Diagrama de Flujo del Proceso.....................................................................................138
4.10. Balance de Masa del Proceso .....................................................................................140
4.10.1. Sistema Lignina-LIM ..........................................................................................140
4.10.2. Sistema CAG-AzMet...........................................................................................142
4.11. Descripción del Proceso .............................................................................................144
4.11.1. Etapa de adsorción...............................................................................................145
4.11.2. Desalojo del adsorbente.......................................................................................147
4.11.3. Lavado de la planta piloto ...................................................................................148
4.12. Descripción del Diseño de los Equipos ......................................................................149
4.12.1. Tuberías ...............................................................................................................149
4.12.2. Bombas ................................................................................................................151
4.12.3. Tanques de Almacenamiento ..............................................................................152
4.12.4. Tanque de Agitación............................................................................................154
4.12.5. Columna de Adsorción ........................................................................................156
4.12.6. Filtro ....................................................................................................................159
4.12.7. Tolva....................................................................................................................161
4.13. Hojas de datos de los equipos principales ..................................................................162
4.14. Filosofía de Control ....................................................................................................163
4.14.1. Estrategia de control del tanque de almacenamiento de materia prima T-1101..164
4.14.2. Estrategia de control del tanque de almacenamiento de amoníaco T-1102 y tanque
de almacenamiento de ácido nítrico T-1103 ...................................................................164
4.14.3. Estrategia de control del tanque estabilizador T-1104 ........................................165
4.14.4. Estrategia de control del tanque de agitación M-1101 ........................................165
4.14.5. Estrategia de control del tanque de almacenamiento de producto T-1105..........166
4.14.6. Estrategia de control de la columna de adsorción C-1101 ..................................167
4.15. Diagramas de tuberías e instrumentación...................................................................167
4.16. Estudios preliminares de seguridad y preservación ambiental...................................173
4.16.1. Marco Legal.........................................................................................................173
4.16.2. Identificación e inventario de posibles impactos ambientales.............................174
4.16.3. Valorización de posibles Impactos Ambientales.................................................176
4.16.4. Medidas Propuestas .............................................................................................177
4.16.5. Valorización con incorporación de medidas .......................................................177
4.16.6. Resultados de la evaluación de impacto ambiental .............................................178
4.17. Guía de Operación ......................................................................................................179
4.17.1. Empacado de la columna.....................................................................................179
4.17.2. Acondicionamiento de la alimentación ...............................................................179
4.17.3. Puesta en marcha .................................................................................................180
4.17.4. Lavado del sistema ..............................................................................................180
4.18. Estimación de costos iniciales de la planta.................................................................180
CONCLUSIONES...................................................................................................................183
RECOMENDACIONES .........................................................................................................185
REFERENCIAS ......................................................................................................................187
ANEXOS .................................................................................................................................201
A.1. Números Adimensionales............................................................................................201
x
A.2. Metodología para la determinación de la capacidad de plantas pilotos ...................... 203
A.3. Isotermas y Curvas de Ruptura ................................................................................... 205
A.4. Propagación de errores ................................................................................................ 207
A.5. Reynolds y Caída de Presión en el lecho poroso......................................................... 209
A.6. Modelos Matemáticos ................................................................................................. 212
A.7. Aplicación de la teoría de la semejanza ...................................................................... 221
A.8. Cálculos tipo del diseño de los equipos de la planta piloto......................................... 224
A.9. Tablas y Figuras para el dimensionamiento de equipos.............................................. 242
A.10. Hojas de Datos de los equipos principales ................................................................ 245
A.11. Documentos generados del Diagrama de Tuberías e Instrumentación ..................... 256
A.12. Medidas de seguridad de los reactivos ...................................................................... 258
A.13. Matriz de Leopold ..................................................................................................... 259
A.14. Publicaciones producto de este Trabajo Especial de Grado...................................... 260
xi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1: Características de los tipos de adsorción..................................................................13
Tabla 2.2: Modelos empíricos de Isotermas de Adsorción. ......................................................18
Tabla 2.3: Magnitudes para el análisis dimensional..................................................................53
Tabla 2.4. Ecuaciones de Escalamiento para RSSCT (Badruzzaman, M., 2005). ....................61
Tabla 3.1: Condiciones para la obtención de las curvas de ruptura. .........................................74
Tabla 3.2: Propiedades físicas de la Lignina (MeadWestvaco, 2003 y Pérez et al., 2007).......75
Tabla 3.3: Propiedades físicas del lecho....................................................................................75
Tabla 3.4: Condiciones para la obtención de las curvas de ruptura CAG-AzMet.....................75
Tabla 3.5: Condiciones para el estudio de la relación cantidad de adsorbente y diámetro de la
columna sobre la curva de ruptura.............................................................................................76
Tabla 3.6: Condiciones para el estudio de la influencia de la altura de la columna sobre la
curva de ruptura. ........................................................................................................................77
Tabla 3.7: Condiciones para el cálculo del tiempo de servicio por modelo BDST...................78
Tabla 4.1: Primera aproximación de la Caída de Presión..........................................................85
Tabla 4.2: Caída de Presión por la ecuación de Ergun..............................................................85
Tabla 4.3: Efectos del uso de algodón y perlas para el sistema Lignina-Níquel......................86
Tabla 4.4: Efectos del uso de algodón y perlas para el sistema Lignina-Vanadio ...................86
Tabla 4.5: Resultados de las curvas de ruptura para el sistema Lignina-Níquel. ......................90
Tabla 4.6: Capacidad de adsorción en el punto de ruptura para el sistema Lignina-Níquel. ....91
Tabla 4.7: Resultados de las curvas de ruptura para el sistema Lignina-Vanadio. ...................92
Tabla 4.8: Capacidad de adsorción en el punto de ruptura para el sistema Lignina-Vanadio...92
Tabla 4.9: Resultados de las curvas de ruptura para el sistema CAG-AzMet...........................96
Tabla 4.10: Capacidad de adsorciónen el punto de ruptura para el sistema CAG-AzMet. .......97
Tabla 4.11: Comparación entre las curvas de ruptura a diferente diámetro ............................102
e igual velocidad superficial. ...................................................................................................102
Tabla 4.12: Comparación de relaciones L/D a nivel laboratorio y piloto. ..............................103
Tabla 4.13: Resultados del modelo MTZ para el sistema Lignina-Níquel..............................105
Tabla 4.14: Resultados del modelo MTZ para el sistema Lignina-Vanadio. .........................106
Tabla 4.15: Resultados del modelo MTZ para el sistema CAG-AzMet. ...............................107
Tabla 4.16: Resultados del modelo BDST para el sistema Lignina-Níquel............................110
Tabla 4.17: Resultados del modelo BDST para el sistema Lignina-Vanadio. ........................111
Tabla 4.18: Resultados del modelo BDST para el sistema CAG-AzMet................................112
Tabla 4.19: Tiempo de ruptura al cambiar la tasa de flujo. .....................................................113
Tabla 4.20: Tiempo de ruptura al cambiar la concentración de entrada..................................113
Tabla 4.21: Resultados BDST en función de los parámetros operacionales ...........................114
Tabla 4.22: Resultados del Método de Lecho Muerto.............................................................114
Tabla 4.23: Valores puntuales del coeficiente global volumérico de transferencia de masa ..116
Tabla 4.24: Variables de diseño a escala laboratorio ..............................................................117
Tabla 4.25: Variables de diseño a escala piloto.......................................................................118
Tabla 4.26: Propiedades y características de los sistemas estudiados.....................................124
Tabla 4.27: Especificaciones de las corrientes de salida. .......................................................125
xii
Tabla 4.28: Cantidades Críticas de Ni y V. Anexo C. (Gaceta Oficial N° 5245, 1998) ......... 128
Tabla 4.29: Concentraciones máximas permisibles en lixiviados. Anexo D. ......................... 128
Tabla 4.30: Condiciones medidas del lugar de la ubicación de la planta................................ 130
Tabla 4.31: Valores típicos de la velocidad en tuberías.......................................................... 131
Tabla 4.32: Clasificación de los equipos de agitación. ........................................................... 132
Tabla 4.33.A: Balance de Masa para la regulación de pH. Sistema Lignina-LIM ................. 140
Tabla 4.33.B: Balance de Masa para la adsorción y filtración del proceso. ........................... 141
Sistema Lignina-LIM .............................................................................................................. 141
Tabla 4.33.C: Balance de Masa para el desalojo del efluente, adsorbente saturado y lavado de
la columna de adsorción. Sistema Lignina-LIM ..................................................................... 141
Tabla 4.33.D: Balance de Masa para el lavado general y parcial. Sistema Lignina-LIM....... 142
Tabla 4.34.A: Balance de Masa para la mezcla de solución. Sistema CAG-AzMet............... 142
Tabla 4.34.B: Balance de Masa para la adsorción y filtración del proceso. ........................... 143
Sistema CAG-AzMet .............................................................................................................. 143
Tabla 4.34.C: Balance de Masa para el desalojo del efluente, adsorbente saturado y lavado de
la columna de adsorción. Sistema CAG-AzMet ..................................................................... 143
Tabla 4.34.D: Balance de Masa para el lavado general y parcial. Sistema CAG-AzMet....... 144
Tabla 4.35: Condiciones para el uso de Filtros Clarificantes (Walas, 1990) .......................... 160
Tabla 4.36: Posibles efectos de los contaminantes ................................................................. 175
Tabla 4.37: Matriz de Leopold para valorar el impacto de la planta piloto de adsorción sin
medidas correctivas. Sistema Lignina-LIM ............................................................................ 176
Tabla 4.38: Matriz de Leopold para valorar el impacto de la planta piloto de adsorción con
medidas correctivas. Sistema Lignina-LIM ............................................................................ 178
Tabla 4.39: Costos de los equipos de la planta piloto (Cole-Palmer, 2007) ........................... 181
xiii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Tipos de Isotermas de Adsorción............................................................................15
Figura 2.2. Transferencia de masa en procesos de adsorción....................................................19
Figura 2.3. Diagrama del frente de adsorción y curva de ruptura. ............................................25
Figura 2.4. Gráfico de concentración vs volumen de efluente. .................................................31
Figura 2.5. (a) esquema general. (b) Curva de equilibrio y recta de operación ........................35
Figura 2.6 Curva BDST.............................................................................................................38
Figura 2.7. Determinación de la capacidad de una columna a partir de la................................42
curva de avance. ........................................................................................................................42
Figura 2.8. Capacidad de plantas...............................................................................................50
Figura 3.1. Esquema experimental para obtención de curvas de ruptura. .................................73
Figura 4.1. Separación del lecho. ..............................................................................................83
Figura 4.2. Columnas empacadas. .............................................................................................83
Figura 4.3. Sistema de adsorción a escala laboratorio...............................................................83
Figura 4.4. Estructura de la columna de lecho fijo. (a) Esquema, (b) Visión real ....................84
Figura 4.5. Regulación de pH inicial de la solución a tratar .....................................................86
Figura 4.6. Filtración de las soluciones .....................................................................................87
Figura 4.7. Relación entre la isoterma y la curva de ruptura.....................................................88
Figura 4.8. Curva de Ruptura para diferentes alturas de lecho. Sistema Lignina-Níquel. ........90
Figura 4.9. Curva de Ruptura para diferentes alturas de lecho. Sistema Lignina-Vanadio.......91
Figura 4.10. Curva de Ruptura para lecho de 15 cm. Sistema Lignina-LIM. ...........................94
Figura 4.11. Perfil de pH en la Torre para el sistema Lignina-LIM..........................................98
Figura 4.12. Relación pH curva de Ruptura para el Sistema Lignina-Níquel. ..........................99
Figura 4.13. Relación pH curva de Ruptura para el Sistema Lignina-Vanadio. .......................99
Figura 4.14. Relación cantidad de adsorbente y diámetro de la columna sobre la curva de
ruptura. Sistema Lignina-Níquel. Masa aproximada 8 g........................................................100
Figura 4.15. Curva de Ruptura para diferentes alturas de lecho. Sistema Lignina-Níquel
Diámetro 3,2 cm. .....................................................................................................................101
Figura 4.16. Comparación de las curvas de ruptura. Sistema Lignina-Níquel........................101
Diferente diámetro de columna mismas alturas de lecho. .......................................................101
Figura 4.17. Curva BDST. Sistema Lignina-Níquel. ..............................................................109
Figura 4.18. Curva BDST. Sistema Lignina-Vanadio.............................................................110
Figura 4.19. Curva BDST. Sistema CAG-AzMet. ..................................................................112
Figura 4.20. Diagrama de Bloque del Proceso ........................................................................121
Figura 4.21. Diagrama de Flujo del Proceso ...........................................................................139
Figura 4.22. Diagrama de tuberías e instrumentación N°1 .....................................................168
Figura 4.23. Diagrama de tuberías e instrumentación N°2 .....................................................169
Figura 4.24. Diagrama de tuberías e instrumentación N°3 .....................................................170
Figura 4.25. Diagrama de tuberías e instrumentación N°4 .....................................................171
Figura 4.26. Diagrama de tuberías e instrumentación N°5 .....................................................172
xv
NOMENCLATURA
A
AB
A
Af
Altbase
AltSd
Arsen X
constante que describe la energía de interacción entre soluto y la superficie del
adsorbente
tóxico en agua
área de flujo en la tubería (m2)
altura de la base del tanque (m)
altura de sobrediseño para la altura del base (m)
resina hibrida
AT
AzMet
a
ap
a1
a2
altura de la tolva (m)
azul de metileno
pendiente de la recta, velocidad recíproca de la zona de adsorción (s/m)
área interfacial específica (m2/m3)
pendiente de la recta a la tasa de flujo inicial (s/m)
pendiente de la recta a la nueva tasa de flujo (s/m)
B
B
B/A
BDP
BDST
BV
b
b1
b2
tóxico por inhalación, ingestión o contacto
relación base/altura (adim.)
diagrama de bloques del proceso
método profundidad de lecho/tiempo de servicio
volúmenes de lecho (m3)
intersección de la recta (s)
intersección a la concentración inicial (s)
intersección a la nueva concentración (s)
C
C
CAG
CAS
CASt
C/Co
Cap
Capd
Capv
CB
Ce
CF
Co
concentración de la corriente de salida (kg/m3)
carbón activado granular
chemical abstract service
presión crítica aplicada en el gráfico FMM (kPa)
relación de concentraciones (adim.)
capacidad másica tanque de alimentación (kg)
capacidad másica de diseño del tanque de alimentación (kg)
capacidad volumétrica (m3)
concentración de soluto en el punto de ruptura (kg/m3)
concentración de equilibrio del soluto en la solución (kg/m3)
concentración deseada en la ruptura con la concentración nueva (kg/m3)
concentración inicial de entrada a la columna de adsorción (kg/m3)
xvi
Cs
C1
C2
concentración de saturación del soluto (mol/m3)
concentración inicial (kg/m3)
concentración nueva (kg/m3)
D
D
DFP
DFPSDM
Dg
Di
DL
Dp
Dporo
Dreal
Ds
DTI
Dz
d
dB
diámetro interno de la columna (m)
diagrama de flujo del proceso
modelo de flujo disperso en el poro y difusión superficial
parámetro de distribución de soluto (adim.)
diámetro interno (m)
difusividad en la fase móvil (m2/s)
diámetro de la partícula (m)
difusividad en el poro (m2/s)
diámetro comercial interno (m)
coeficiente de difusión superficial (m2/s)
diagrama de tuberías e instrumentación
coeficiente de dispersión axial (m2/s)
diámetro del impulsor (m)
brecha o distancia entre el deflector y la pared (m)
E
E(x)dx
EBCT
E33
integral numérica
tiempo de contacto en lecho vacio (s)
óxido de hierro /hidróxido
F
F
Fservicio
f
ff
fracción de la capacidad residual de MTZ
factor de servicio (adim.)
factor de fricción (adim.)
factor de flujo (adim.)
G
G
g
gc
velocidad másica del fluido (kg/ s m2)
fuerza de gravedad (m/s2)
factor de conversión
H
HETU
HSDM
HTOL
hB
hM
hz
unidad de altura equivalente de transferencia (m)
modelo de difusión superficial homogéneo
altura de la unidad global de transferencia de masa (m)
longitud del lecho utilizado hasta el punto de ruptura (m)
longitud del lecho no utilizado o lecho muerto (m)
altura de MTZ (m)
I
ICP
espectroscopia de plasma acoplado inductivamente
xvii
Isolux
óxido de zirconio
J
J
amplitud del deflector (m)
K
K
kf a p
kf
constante de la tasa de adsorción. Volumen de líquido tratado por unidad de
masa a la entrada del sistema requerido para que el frente de adsorción se
mueva a través de una altura equivalente a la altura crítica del lecho. (m3/kg s)
constante de Freundlich relacionada con los centros activos (kg m31/n/mol1/n kg)
constante relacionada a la afinidad del soluto hacia el adsorbente (m3/mol)
coeficiente de velocidad basado en la fuerza impulsora de la concentración en la
fase fluida (m3/kg s)
coeficiente volumétrico global de transferencia de masa (kg/s m3)
coeficiente de transferencia de masa externa o del fluido (m/s)
L
L
Lab
Lalim
Lbase
L/D
Lfr
LIM
Lmin
Lreal
LUB
altura del lecho (m)
escala laboratorio
altura máxima de alimentación en el tanque (m)
base de la tolva (m)
relación altura/diámetro
longitud de las fracciones de lecho (m)
solución ácida de Níquel y Vanadio
altura mínima (m)
altura comercial de la columna (m)
método de lecho muerto
M
M
Metsorb
MTZ
m°
m
valor máximo obtenido con alguno de los dos límites de integración
dióxido de titanio
zona de transferencia de masa (m)
flujo másico (kg/s)
masa de adsorbente RSSCT (kg)
N
N
Nimp
NA
ND
Nm
Npot
Nq
NPSH
NTOL
nula
velocidad del impulsor (rps)
no aplica
no determinado
número de medidas
número de potencia (adim.)
número de flujo (adim.)
carga neta de succión positiva (m)
número de unidades de transferencia de masa
KF
KL
kc
xviii
N0
n
nt
1/n
capacidad de adsorción (kg/m3)
sub-intervalos de integración
factor de tiempo de mezclado (adim.)
factor de heterogeneidad (adim.)
P
P
Pe
Pfr
Pot
poca
número de Peclet (adim.)
porcentaje de las fracciones de lecho (%)
potencia (W)
Q
Q
QZ
QZmax
Q1
Q2
q
qe
qm
R
Re
Re,p
Rp
RSSCT
S
S
Sc
Sd
Sh
Ss
T
T
t
te
tu
tu/te
t_operación
t_total
tasa de flujo (m3/s)
cantidad removida ruptura- saturación (kg)
cantidad máxima removida (kg)
tasa de flujo inicial (m3/s)
nueva tasa de flujo (m3/s)
concentración de soluto en el adsorbente (kg/m3)
cantidad de soluto adsorbido en equilibrio por gramo de adsorbente (kg/kg)
cantidad de soluto requerido por gramo de adsorbente para tener una monocapa
de soluto sobre la superficie del adsorbente (kg/kg)
número de Reynolds (adim.)
Reynolds para el lecho empacado (adim)
radio de la partícula (m)
Modelo de escalamiento rápido de columnas pequeñas
área transversal de la columna (m2)
número de Schmidt (adim.)
porcentaje de sobrediseño (%)
número de Sherwood (adim.)
sólido libre de adsorbato en equilibrio con el efluente entrante (masa de
soluto/masa de adsorbente)
total
tiempo de mezclado del tanque de agitación M-1101 (s)
tiempo equivalente a la capacidad total o estequeométrica (s)
tiempo equivalente a la capacidad utilizable (s)
fracción de la capacidad utilizada (adim.)
tiempo de operación de la planta (s)
tiempo total de la planta, sin descontar las paradas (s)
xix
U
U
UL
Uz
velocidad superficial del fluido, carga hidráulica (m/s)
velocidad lineal del fluido (m/s)
tasa de descenso de MTZ (m/s)
V
VaguaLav
Vd
Vext
VB
Vreal
VT
VZ
v
volumen de agua de lavado por ciclo (m3)
volumen de diseño del tanque de alimentación (m3)
volumen de cada extremo removible (m3)
volumen tratado hasta la ruptura (m3)
capacidad real del tanque de alimentación (m3)
volumen tratado hasta la saturación (m3)
volumen tratado entre la ruptura y la saturación (m3)
velocidad intersticial (m/s)
X
x
xi
x0
x1 y xn
Xm
xprom
Xs
factor de difusividad (adim.)
valor de las medidas
lecho mínimo a la concentración de ruptura (m)
limites inferior y superior de la integral
cantidad de sustancia adsorbida por unidad de masa de adsorbente, cuando se
ha formado una monocapa sobre la superficie (kg/kg)
valor promedio
concentración del adsorbato en equilibrio con el fluido entrante (masa de
soluto/masa de adsorbente)
Y
Y
Y*
concentración de soluto en el fluido (masa de soluto/ masa de fluido)
concentración de soluto en el fluido en el equilibrio (masa de soluto/ masa de
fluido)
concentración de soluto en el fluido en el momento de la ruptura (masa de
soluto/ masa de fluido)
concentración inicial de soluto en el fluido (masa de soluto/masa de fluido)
concentración de soluto en el fluido en el momento de la saturación (masa de
soluto/ masa de fluido)
YB
Yo
YT
Z
z
coordenada espacial tomada a lo largo de la columna (cm)
LETRAS GRIEGAS Y OTROS SÍMBOLOS
’
B-1101
C-1101
superíndice que denota escala piloto
subíndice que denota tolva B-1101
subíndice que denota columna de adsorción C-1101
xx
P-11001-AI
P-1101
Placa
T-1101
M-1101
ΔP
ε
εp
σx
µ
ρ
ρa
θ
δ
θF
θB
θo
θT
θZ
ν
subíndice que denota tubería P-11001-AI
subíndice que denota bomba P-1101
subíndice que denota placa perforada
subíndice que denota tanque de almacenamiento T-1101
subíndice que denota mezclador M-1101
caída de presión (Pa)
porosidad de lecho (adim.)
porosidad interna (adim.)
desviación estándar
viscosidad del fluido (Pa s)
densidad del fluido (kg/m3)
densidad aparente (kg/m3)
ángulo de inclinación entre la vertical y la pared de la tolva (grados)
ángulo efectivo de fricción interna (grados)
tiempo de formación de MTZ (s)
tiempo correspondiente al punto de ruptura (s)
tiempo inicial del proceso de adsorción (s)
tiempo final del proceso de adsorción o tiempo de saturación (s)
tiempo entre ruptura-saturación (s)
viscosidad cinemática (m2/s)
1
CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN
Existe la necesidad cada vez mayor de remover contaminantes de cuerpos líquidos o de
efluentes gaseosos debido al riesgo que representan tanto para el hombre como para el
ambiente en general. Entre los contaminantes que generan mayor preocupación, debido a su
alta toxicidad, se encuentran los colorantes y los metales pesados (Zulfadhly et al., 2001; Asok
et al., 2005).
Uno de los procesos más eficientes en la remoción de contaminantes es la adsorción
con carbón activado, pero su alto costo y su poca capacidad de regeneración han hecho
necesario el estudio de nuevos adsorbentes (Amit y Jain, 2005). En lo referente a metales
pesados, se han realizado estudios con resultados satisfactorios por medio de: precipitación
química, intercambio iónico, ósmosis inversa y extracción con solventes (Taty-Costodes et al.,
2005).
Desde el punto de vista económico, el costo de obtención de adsorbentes
convencionales como el carbón activado, depende de las diferentes fuentes de materias primas
utilizadas, el grado de activación química y las características físico-químicas de cada uno; es
por esto, que cada tipo de carbón activado tiene su aplicación específica, sus ventajas y
desventajas en el tratamiento de aguas residuales; además, debe considerarse su alto costo, el
cual oscila entre 20-22 US$/kg en comparación con otros adsorbentes como los
bioadsorbentes que tienen un precio desde 0,03-0,6 US$/kg (Babel y Kurniawan, 2003).
Aunado a esto, el mismo proceso de adsorción sigue siendo costoso, ya que todos estos
métodos tienen limitaciones en sus aplicaciones, por ejemplo, condiciones de reacción muy
severas y contaminación secundaria (Li et al., 2007), la gran cantidad de químicos
involucrados y la remoción incompleta de metales (Wu et al., 2008); es por este motivo que el
uso de carbón activado por su alto costo no es atractivo económicamente para industrias
2
pequeñas que deben cumplir con regulaciones ambientales (Babel y Kurniawan, 2003).
Esto ha motivado al desarrollo de estudios enfocados en el uso de biomasa como
adsorbente. Bailey et al. (1999) presentaron en su trabajo sobre bioadsorbentes que los
materiales naturales que se encuentran disponibles en grandes cantidades, desechos de
industrias o de la agricultura, pueden tener un alto potencial como adsorbentes económicos.
Debido a su bajo costo, estos materiales luego de ser utilizados como bioadsorbentes pueden
ser dispuestos sin tener que realizar una regeneración complicada. El costo es un parámetro
importante para comparar materiales a ser usados como adsorbentes. Sin embargo esta
información pocas veces se divulga, ya que, el costo del bioadsorbente varía dependiendo del
grado de procesamiento requerido y la disponibilidad local. En general, un adsorbente puede
asumirse como de “bajo costo” si se requiere poco procesamiento, es abundante en la
naturaleza o si es subproducto o desecho de alguna industria. En la mayoría de los casos, la
mejor capacidad de adsorción puede compensar el costo de procesamiento adicional.
Es importante destacar que el mecanismo de adsorción con carbón activado es bastante
conocido ya que ha sido el adsorbente por excelencia, sin embargo, este no es el caso de los
bioadsorbentes, este mecanismo todavía no está totalmente establecido para la mayoría de los
casos. Bailey et al. (1999) presentan algunos ejemplos de las diferencias existentes entre los
bioadsorbentes más estudiados: Se supone que la corteza de los árboles es efectiva en la
remoción de metales debido a la gran cantidad de taninos, cuyos grupos hidroxi, tanto
alifáticos como fenólicos, son capaces de realizar un intercambio iónico produciendo un
quelato. El quitosano podría deber su capacidad adsortiva a la sustitución de varios grupos
funcionales y formación de quelatos, ya que en su estado natural no presenta poros. Las
zeolitas y arcillas son capaces de neutralizar los iones metálicos debido a la cadena cargada
negativamente que se encuentra en su estructura. Las arcillas tienen una gran área superficial
(> 800 m2/g). La capacidad adsortiva de las cenizas depende de la cantidad de cal y tienen un
área superficial de 6 m2/g. La turba es un material complejo que contiene Lignina y Celulosa,
su tendencia al intercambio iónico ocurre por los grupos funcionales polares que contiene,
presenta un área superficial mayor a 200 m2/g.
3
La gran adsorción de metales observada en el caso de la Lignina parece depender de
los grupos fenólicos y otros grupos funcionales que son capaces de realizar un intercambio
iónico; en este caso en particular aun no se tiene un mecanismo determinado, ya que puede
ocurrir una simple adsorción o una combinación de procesos (Carrot y Carrot, 2007). Se ha
considerado posible la formación de complejos, con enlaces iónicos y covalentes, así mismo,
pudiera ocurrir intercambio iónico con la participación de grupos ácidos de la Lignina,
formación de complejos superficiales con los grupos funcionales de la superficie, reacciones
Redox, adsorción física (Crist et al., 2004; Basso et al., 2002; Dupont y Guillon, 2003). Dado
que la Lignina natural posee un área superficial inferior a los 10 m2/g (Pérez et al., 2006a), se
ha postulado que la gran adsorción de metales ocurre gracias a los grupos funcionales
oxigenados presentes en su estructura, los cuales servirían como eventuales sitios de adsorción
de iones metálicos y otros componentes (Crist et al., 2004; Lalvani et al., 2000).
Basso et al. (2002) estudiaron a escala laboratorio la potencialidad de diversos
bioadsorbentes tales como la cáscara de nueces brasileras, bagazo de caña de azúcar, tallos de
Arundo Donax (familia de las gramíneas) y una madera nativa (Prosopis ruscifolia) de
Argentina, para la remoción de Cd+2 y Ni+2, encontrando que los materiales lignocelulósicos
con mayor contenido de Lignina eran los mejores adsorbentes, y justificando este fenómeno a
partir de la interacción de los diversos grupos funcionales cargados que se encuentran en su
estructura. Por otro lado, Lalvani et al. (2000) realizaron estudios donde se utilizó Lignina
comercial (Indulin AT) para la adsorción de Cr+6 y Cr+3 en soluciones acuosas. Los
experimentos se realizaron de manera batche (tanque agitado). Por los resultados obtenidos se
puede aseverar que el Cr+3 es más afín a la Lignina que el Cr+6. Las diferencias presentes entre
la adsorción de ambos iones se debe principalmente al tipo de ion que forman para adsorberse.
También se ha estudiado la remoción de Cr+6 utilizando desechos de la industria del salvado
de trigo, celulosa y una pequeña cantidad de ácidos grasos, demostrando que la adsorción
ocurre por un proceso de óxido-reducción al reducirse el metal de Cr+6 a Cr+3; se evidencia
claramente que la adsorción de metales pesados en compuestos lignocelulósicos se debe
principalmente a los grupos funcionales que inducen carga dentro de la estructura de la
Lignina presente en el sustrato (Dupont y Guillon, 2003).
4
Los procesos de remoción de contaminantes de efluentes a nivel industrial, por lo
general, se realizan en columnas de adsorción de lecho fijo; no obstante, la mayoría de los
estudios realizados con bioadsorbentes a nivel de laboratorio han sido en tanques agitados por
cargas (Upendra y Manas, 2006). Al ser minoritarios los trabajos de investigación empleando
lechos empacados para la remoción de metales se dificulta el manejo y tratamiento de grandes
cantidades de efluentes y, por tanto, la posibilidad de realizar este proceso de separación a
mayor escala (Upendra y Manas, 2006; Asok et al., 2005). Todos los trabajos realizados en
columnas de adsorción utilizando bioadsorbentes, (Runping et al, 2006; Zulfadhly et al., 2001;
Erdem et al., 2005; Ajmal et al., 2003; Taty-Costodes et al., 2005) sin importar el sistema
adsorbato-adsorbente utilizado, manejan en su mayoría las mismas variables (concentración
inicial, pH, altura de lecho, velocidad de flujo) para conocer el comportamiento de la columna
y así determinar los parámetros que se utilizarán para el diseño de plantas de mayor tamaño.
En una investigación realizada por Zulfadhly et al. en el año 2001 se muestra la
capacidad del macro hongo Pycnoporus Sanguineus para adsorber metales pesados divalentes
como: Pb+2, Cu+2 y Cd+2 de aguas residuales utilizando columnas de lecho fijo; en este trabajo
se variaron los siguientes parámetros de diseño y operación: altura de lecho, concentración y
flujo, usando para analizar los resultados experimentales el modelo de Hutchins (BDST). Por
otro lado Runping et al. (2006) investigaron la capacidad de adsorción de Pb+2 y Cu+2
utilizando cascarillas y semillas inmaduras de trigo como adsorbente y evaluando las
siguientes variables: pH, tasa de flujo, concentración de la solución y la coexistencia de iones.
Aplicaron el modelo de Thomas a diferentes flujos y concentraciones para determinar la curva
de ruptura. Upendra y Manas (2006) analizaron la remoción de Cd+2 por cáscaras de arroz pretratadas, utilizando el modelo de Hutchins (BDST) y el modelo de Michaels (MTZ); además
estudiaron los efectos del flujo, la concentración y la altura de lecho para determinar
parámetros de diseño de una columna de adsorción.
Erdem et al. en el año 2005 estudiaron la remoción de Boro en soluciones acuosas
obtenidas sintéticamente utilizando la resina Amberlite IRA 743 en un columna vertical,
donde se verificó la dependencia de este sistema a las condiciones operacionales y de proceso:
5
volumen del lecho de resina, concentración, flujo y temperatura. Por otro lado, Azok et al.
(2006) utilizando el modelo de Hutchins (BDST) y el modelo de Michaels (MTZ) para estimar
las bases de diseño de columnas de lecho fijo de adsorción, evaluaron la remoción de un
colorante de aguas residuales, usando un surfactante de alúmina y evaluaron el efecto de la
altura de lecho, flujo alimentado y concentración del adsorbato.
En línea con el objetivo de revalorizar subproductos y desechos de la industria
química, investigadores del Grupo de Tecnologías Alternativas Limpias (TECALL) de la
Universidad Simón Bolívar han patentado un proceso de desmetalización y desulfuración de
coque de petróleo por medio de la digestión ácida vía microondas (TECALL, 2005). Durante
este proceso se genera una corriente de licor ácido que contiene los metales extraídos al coque.
Este licor deber ser purificado a fin de reciclarlo al sistema. Sin embargo, la separación de los
metales aún no ha podido ser lograda y es allí donde se complementan los estudios que
adelanta el grupo TECALL orientados a la remoción de Níquel y Vanadio de soluciones
ácidas. Entre los trabajos realizados por este grupo de investigación se encuentran los
siguientes:
González (2005) estudió a nivel de laboratorio utilizando tanque agitado, la adsorción
de Níquel y Vanadio a partir de soluciones ácidas, sobre Lignina comercial (Indulin AT);
utilizó carbón activado comercial como referencia. En este trabajo se determinó que las
variables que afectan el proceso de adsorción de cada metal son: pH, tiempo de contacto,
cantidad de adsorbente y la concentración inicial del metal. Los resultados muestran que al
trabajar con soluciones ácidas estandarizadas de los metales, el Níquel presenta mayor
afinidad (97%) por la Lignina, mientras que el Vanadio presenta mayor afinidad (98%) al
utilizar carbón activado comercial, lo cual indica la posibilidad de que ambos iones tengan
mecanismos de adsorción diferentes. Este resultado se mantuvo al trabajar con mezclas de
Níquel – Vanadio. Sin embargo, en la adsorción de los metales presentes en los licores ácidos,
donde existe una alta proporción de Vanadio con respecto al Níquel (20 ppm de Vanadio y
2,25 ppm de Níquel), el comportamiento demostrado por estos adsorbentes fue el opuesto.
6
Ojeda (2005) estudió el efecto de la temperatura sobre la adsorción de Níquel y
Vanadio con Lignina, en soluciones (por separado y en mezclas) en procesos por carga
(tanque agitado) a escala laboratorio. El intervalo de temperaturas evaluado fue desde 25 hasta
92 ºC; en este rango se garantizó que no existiese pérdida de masa por evaporación. Obtuvo
que las variaciones de temperatura no afectan el porcentaje de adsorción de Níquel cuando se
encuentra puro, pero mezclado con Vanadio sí. En cambio, la adsorción de Vanadio es
superior cuando está en mezcla, pero al estudiarse por separado la adsorción no se ve afectada
por la temperatura hasta alcanzar 75 ºC.
Itriago (2005) llevó a cabo la experimentación en tanques agitados operados por lotes
a escala laboratorio con la finalidad de conocer la capacidad adsortiva de la Lignina al tratar
tres tipos de soluciones: de Níquel, de Vanadio (a distintas concentraciones) y mezclas NíquelVanadio (en distintas proporciones) a las condiciones propuestas por González (2005). Itriago
observó que el porcentaje de adsorción disminuye al aumentar la concentración de metales y
mantener fija la cantidad de Lignina (Indulin AT). Así mismo, pudo comprobar que a bajas
concentraciones de la mezcla Níquel – Vanadio, la adsorción de Níquel (mayor al 90%) no se
ve afectada por la cantidad de Vanadio presente, siendo su adsorción de 25%.
Medina et al. (2006) estudiaron el efecto del tiempo de residencia y acidez inicial en la
adsorción sobre Lignina (Indulin AT), de Níquel y Vanadio por separado y mezclas de ambos
metales en solución. Realizaron análisis a nivel de laboratorio en tanques agitados
manteniendo en contacto el adsorbente y el adsorbato a diferentes tiempos de residencia,
determinaron mayor afinidad con el Níquel que con el Vanadio, obteniendo los mejores
tiempos de operación en 1,73 h y 2,28 h, respectivamente. En cuanto a la acidez inicial,
obtuvieron el mejor pH a 4,5 para cualquiera de los adsorbatos estudiados.
Los resultados satisfactorios realizados por el grupo TECALL y descritos
anteriormente llevaron a estudiar la posibilidad de realizar pruebas de laboratorio que operen
de forma continua, tomando los mejores valores obtenidos en las pruebas por carga como base
7
experimental del sistema de lecho empacado, los resultados de estas pruebas permitieron
llevar el proceso a una escala mayor, al aumentar la información disponible sobre el
comportamiento de los lechos adsorbentes.
El presente trabajo de investigación se enmarca dentro del proyecto “Revalorización
conjunta de desechos de la Industria Maderera y Petrolera vía desarrollo de adsorbentes de
actividad específica y bajo costo”. Proyecto N° G-2005000432 financiado por el Fondo
Nacional de Ciencia, Tecnología e Investigación (FONACIT), y se ha establecido como
objetivo principal estudiar la capacidad adsortiva de residuos lignocelulósicos para la
remoción de metales pesados contenidos en los licores ácidos, así como la influencia de las
variables de operación en la modificación de dicha capacidad. Bajo esta condición se planteó
como objetivo específico el diseño de una planta a escala piloto de adsorción de lecho fijo que
permita evaluar los efectos de diferentes variables de operación del proceso de adsorción,
siendo lo suficientemente versátil para permitir el estudio de procesos adsortivos y la
evaluación de adsorbentes de diferentes granulometrías.
Es importante señalar que dentro del mencionado proyecto Fonacit (G-2005000432) se
estipula la posibilidad de llegar a la escala industrial; dentro del presente estudio se espera que
una vez instalada la planta piloto, ésta provea la información necesaria para establecer la
factibilidad técnica y económica para la remoción de metales a gran escala.
La necesidad de realizar el diseño de una planta piloto versátil radica en el hecho de
que no fueron encontradas plantas de adsorción de metales a escala industrial, y la mejor
forma de garantizar el éxito de su construcción es a través del estudio previo en plantas
pilotos, donde se puede estudiar el comportamiento operacional y de las variables
involucradas al minimizar el riesgo del proceso, el cual es elevado al no existir plantas a esta
escala que empleen biopolímeros como adsorbente de Níquel y Vanadio. Así mismo se espera
que la planta piloto sea lo suficientemente versátil y funcional al permitir realizar trabajos de
investigación de nuevos adsorbentes.
8
En resumen, los objetivos de este trabajo de investigación se plantean a continuación:
1.1. Objetivo General
Establecer los parámetros básicos requeridos para la instalación de una planta piloto de
adsorción destinada al estudio de procesos de adsorción y evaluación de adsorbentes en
general y de bioadsorbentes en particular, a través de las etapas de Ingeniería Conceptual e
Ingeniería Básica de un proyecto.
1.2. Objetivos Específicos
a. Determinar a escala laboratorio las variables de diseño y operacionales de una planta
de adsorción que se adapte a las posibles granulometrías de diversos adsorbentes, con
particular énfasis en los adsorbentes lignocelulósicos.
b. Establecer las bases del diseño de la planta de adsorción a escala piloto.
c. Definir la ubicación y la capacidad de la planta de adsorción a escala piloto.
d. Establecer los parámetros del proceso de los equipos de la planta piloto.
e. Desarrollar los diagramas de flujo del proceso (DFP) y de tuberías e instrumentación
(DTI) y el sistema de control a utilizar en la planta piloto.
f. Determinar el balance de masa y los servicios requeridos por la planta piloto.
g. Establecer el impacto ambiental que provocará la planta piloto.
h. Determinar la factibilidad técnica para la procura y construcción de la planta piloto
diseñada.
9
1.3. Alcance
En este trabajo se presenta la investigación necesaria a fin de realizar el diseño de una
planta piloto de adsorción para el estudio y evaluación de adsorbentes, en especial de
bioadsorbentes.
Para lograr los objetivos planteados, el trabajo se dividió en dos fases, la primera fase
se destinó fundamentalmente a la realización de las pruebas experimentales, a escala
laboratorio, que generarían la información necesaria para obtener las curvas de ruptura para el
diseño de la columna de adsorción. En esta primera fase se utilizaron dos sistemas de
Adsorbente/Adsorbato: (1) Lignina/solución acuosa de Níquel – Vanadio (LIM) y (2) Carbón
Activado Granular (CAG)/Azul de Metileno (AzMet). Cabe destacar que para la obtención de
las variables operacionales se utilizaron dos adsorbentes de diferentes granulometrías, para así
poder realizar un diseño más versátil de la planta piloto, ya que ambos adsorbentes tienen
estructuras diferentes y por tanto comportamientos diferentes. De igual forma, en esta fase se
trabajó con diferentes modelos matemáticos macroscópicos, para determinar los parámetros de
diseño necesarios para realizar el diseño de la planta. Producto de las pruebas experimentales
realizadas se generaron dos publicaciones: una relacionada al pH y la saturación de la columna
(Casanova et al., 2007a) y la segunda
sobre el uso de modelos matemáticos para el
escalamiento del proceso (Casanova et al., 2006) (Ver anexo A.14).
Cabe destacar que los adsorbentes estudiados tienen un comportamiento diferente,
debido a que la adsorción se realiza por diferentes mecanismos, el CAG debe su capacidad
adsortiva principalmente al área superficial que posee, mientras que la Lignina es capaz de
retener iones metálicos gracias a los grupos funcionales dispuestos de su estructura (Urbina et
al., 2008); en segundo lugar el CAG es considerado un adsorbente convencional y su estudio
ha sido exhaustivo y la Lignina por su lado es un bioadsorbente nuevo, del que aún se están
realizando estudios para comprender la selectividad por ciertos metales más que para otros.
10
En la segunda fase se realizó el diseño de la planta, en la cual se desarrolló la
estimación de la capacidad de la planta, se definió la ubicación de la planta piloto, se
realizaron todos los documentos característicos para el diseño, se realizó la estimación inicial
de costos del proyecto (Clase IV) y se determinó su factibilidad técnica para la procura y la
instalación de la planta. Como resultado de esta fase se realizaron dos publicaciones: una
relacionada a la factibilidad de la instalación de una planta purificadora de coque con
biopolímeros (Casanova et al., 2007b) y otra basada en las etapas del diseño de la planta piloto
(Casanova et al., 2007c).
Bajo las consideraciones antes mencionadas, el presente trabajo está distribuido en los
siguientes capítulos:
™
Capítulo II: Se presentan los fundamentos teóricos necesarios para el buen entendimiento
del proceso de adsorción y diseño.
™
Capítulo III: Se describe de forma detallada la metodología utilizada para la obtención de
los parámetros de diseño.
™
Capítulo IV: En primer lugar se muestran los resultados obtenidos en la Fase
Experimental como lo es la obtención de las variables operacionales. En segundo lugar se
presentan algunos de los documentos considerados en la visualización, la ingeniería
conceptual de la planta piloto, abarcando, bases y criterios de diseño y la capacidad de la
planta. Adicionalmente se presentan algunos de los documentos que se pueden generar en la
ingeniería básica, como lo son los diagramas DBP, DFP y DTI, balance de masa, descripción
del proceso, del diseño, hojas de especificación, filosofía de control, instrumentación, estudio
de impacto ambiental, guía de operación y estimación inicial del costo de la planta.