Unidad 13-Adsorción e Intercambio Iónico

Preparó: Ing. María Eugenia Durand

UNIDAD N° N° 13 ADSORCIÓN E INTERCAMBIO IÓNICO Operaciones Unitarias II – FC FCEF EFyN yN - UN UNC C

ADSORCIÓN Definición de la operación de adsorción, mecanismos. Propiedades del equilibrio de fases. Separación en una sola etapa, discontinua, continua en varias etapas (contracorriente, (contracorriente, corrientes en paralalelo, paralalelo, con reflujo, etc.). Descripci Descripción ón de adsorbed adsorbedores ores / sistemas sistemas.. Diseño de equipos.

Bibliografía: 

Treyb reybal, al, Robert Robert E. Operaciones Operaciones de tran tr ansfe sferen rencia cia de masa. masa. (1 (199 995) 5)


Definición de la operación adsorción 

La operación de adsorción consiste en separar uno o más compuestos de una mezcla de gases o una solución líquida fundamentalmente por dos fenómenos: - adsorción física o de Van der Waals: la separación tiene lugar a partir de la existencia de fuerzas intermoleculares de atracción entre las moléculas del sólido (adsorbente) y el o los compuestos que se necesitan separar. Este tipo de adsorción presenta “cierta” reversibilidad (ref. histérisis de adsorción). Las fuerzas intermoleculares son las responsables de que, a pesar de que la presión del gas sea inferior a la presión de vapor -a la temperatura de trabajo- el gas se condense desprendiendo calor (el fenómeno básicamente es superficial) y, -



quemisorción o adsorción activada; en esta hay interacción química entre el sólido y el líquido o gas a adsorber, por lo cual se libera calor el cual es similar al calor de una reacción, es por ello que el proceso es irreversible.

La separación se da por la distribución diferencial entre la superficie del

Reversible

Generalmente irreversible

Operación de adsorción - Ejemplos 

Se pueden adsorber: - gases sencillos, - mezclas de vapor y gas,



- líquidos. Situaciones en que esta operación puede llegar a usarse: - deshumidificar el aire y otros gases o, combustibles; - eliminar impurezas y olores de gases industriales, por ej. CO ₂; - recuperar gases valiosos; - fraccionamiento de mezclas de gases de hidrocarburos para obtener metano, etileno, etano, propileno y propano; - decolorar soluciones acuosas de azúcar; - eliminar olores y sabores del agua potable; - fraccionar mezclas de hidrocarburos aromáticos y parafínicos.

Adsorción – Aplicaciones comerciales

Adsorbentes de uso general 

Carbón activado.



Arcillas activadas.

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Alúmina.

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Carbón de hueso.

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Zeolitas – Mallas moleculares.



Bauxita.

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Tierras de Fuller.



Adsorbentes poliméricos #.



Gel de sílice.


Carbón activado 

Precursor: madera.





Precursor: cáscara de coco.

Precursor: candeia.


Adsorbentes: propiedades deseadas Distribución regular del tamaño de poros / porosidad.  Consistencia, cambios en la estructura de los poros por el flujo de los fluidos.  Baja caída de presión respecto al transporte de fluidos.  Fluencia (cuando se debe recambiar frecuentemente).  Densidad vs. tamaño de grano poco favorable al fenómeno de arrastre.  Relación superficie vs. peso elevada.  Alta capacidad de adsorción. -Método de fabricación. -Origen de los materiales. -Antecedentes de adsorción y desorción (ref. ciclos). -Relación área superficial vs. peso. -Distribución del tamaño de poros, diámetros característicos. -Estructura interna.  Adecuado comportamiento frente a la regeneración (oxidación de Preparó: Ing. etc.). María Eugenia Durand la materia orgánica, tratamiento en hornos, 

Equilibrio de adsorción - Isotermas 

La operación se trabaja a partir de mediciones de equilibrio experimentales (similar a solubilidad en el equilibrio de un gas en un líquido). : Presión parcial en el equilibrio del vapor o gas a temperatura constante. : Presión de vapor a saturación de la sustancia adsorbida.


Isotermas de adsorción Expresiones matemáticas que describen los equilibrios de adsorción: VAPOR -Isotermas de Langmuir -Isotermas de Brunauer-Emmett-Teller. -Isotermas de Freundlich.

LÍQUIDO -Isotermas de Freundlich, de la forma Y* = m X . -Otras

Pv acetona a 100°C (2790 mm Hg).


ⁿ

Isotermas de adsorción (Ejemplos)

CAC: carbón activado comercial CAB: carbón activado preparado


Adsorción: tipos de mezclas Un componente Mezclas binarias de gases o vapores

R: Gas E: Adsorbato

: Factor de separación o adsortividad relativa







fracción Preparó: peso de C 1 en E / fracción peso de C 2 en E Ing. María Eugenia Durand

Adsorción: mezclas binarias


Operaciones de adsorción- Arreglos

Lecho fijo, estado no estacionario.


Operaciones de adsorción-Simple etapa LS Y₀ + SS X₀ = LS Y1 + SS X1) LS (Y₀-Y1) = S S (X1-X₀) SS / LS= (Y₀-Y1) / (X1-X₀) Para adsorbente fresco X₀=0 Y* = m X (Ecuación de Freundlich) ⁿ

Y₀

X1 = (Y1)/m)

1/n

Asumiendo adsorbente fresco, X ₀=0 SS / LS = (Y₀-Y1) / (Y1 / m)

1/n

Curvas en el equilibrio de Freundlich con distintos valores de n.


Dos etapas a corriente cruzada o alimentación separada LS (Y₀-Y1)=SS1 (X1-X₀) LS (Y1-Y2)=SS2 (X2-X₀) Considerando la expresión de Freundlich suponiendo que el adsorbente es fresco: SS1/LS=(Y₀-Y1)/ (Y1/m)1/n

y

SS2/LS=(Y1-Y2)/ (Y2/m)1/n La cantidad total de adsorbente es: (SS1 + SS2)/LS= m1/n ((Y0-Y1)/(Y11/n) + (Y1-Y2)/(Y21/n)) Para determinar la concentración intermedia Y 1, se trabaja la expresión anterior considerando que se usa una cantidad mínima de adsorbente  d ((SS1 + SS2)/LS) / dY1 Luego, como para cada caso m, n, Y 0 e Y2 son constantes: (Y1/ Y2)1/n - 1/n (Y0/ Y1) = 1 - 1/n Con el valor de la concentración intermedia se pueden determinar las cantidad adsorbidas en cada Preparó: Ing. María Eugenia Durand etapa.

Arreglo en contracorriente para 2 etapas Considerando la expresión de Freundlich y si se utiliza adsorbente fresco X Np+1 = 0. 1) Balance para el soluto para toda la planta: SS (X1-0) = LS (Y₀-Y2) El equilibrio para la 1era. etapa es: X1 = (Y1)/m) 1/n Combinando las dos ecuaciones anteriores: SS/LS=(Y0-Y2)/ (Y1/m)1/n 2) Ahora para la 2da. etapa realizando el balance y considerando que la ecuación de Freundlich para el equilibrio: LS (Y1-Y2) = SS X2 = SS (Y2)/m) 1/n Eliminando la relación de caudales de adsorbente y solución a tratar: (Y0/ Y2) – 1 = (Y1/Y2)1/n (Y1/ Y2 – 1) Una opción es primero establecer Y 0, Y1 eY2 y luego SS/LS. Preparó: Ing. María Eugenia Durand

Operaciones de adsorción- Np etapas en contracorriente LS (Y0 - Y Np) = SS (X1 - X Np)


Operación de adsorción - Equipos


Operación de adsorción - Equipos


Equipo múltiple etapa de lecho fluidizado a contracorriente con regeneración


Adsorción – Equipos de contacto continuo – Contactor de Higgins


INTERCAMBIO IÓNICO Definición de las operaciones de intercambio iónico, mecanismos. Equilibrios y velocidades de transferencia de materia. Operación de intercambiadores de iones.

Bibliografía:   

McCabe, Warren et al. Operaciones unitarias en ingeniería química. (2007) Treybal, Robert E. Operaciones de transferencia de masa. (1995) Geankoplis, C. J. Procesos de transporte y operaciones unitarias. (1998)


Definición de la operación de intercambio iónico - Ejemplos 





La operación de intercambio iónico es otra de las operaciones sólido-líquido en la que se promociona el intercambio reversible de iones entre sólidos y soluciones electrolíticas, permitiendo la separación y fraccionamiento de solutos electrolíticos; siendo el intercambio de naturaleza química. Los iones interaccionan con el sólido y se difunden dentro de la masa sólida. Las fracciones de intercambio consisten básicamente en reacciones químicas de sustitución entre un electrolito en solución y un electrolito no soluble en contacto con dicha solución (ref. sistema heterogéneo). Los sólidos intercambiadores de iones que se utilizaban antiguamente eran minerales porosos que contenían sílica, un ejemplo son los zeolitas; actualmente se usan resinas poliméricas por ejemplo poliestireno al que se le unen grupos ionizables.

Aplicación en operaciones de: Ablandamiento del agua (reionización del agua). Eliminación de iones presentes con el fin de neutralizar. Tratamiento y concentración de solución de desechos. Separación/intercambio de metales en bentonitas, tierras raras, etc. Preparó: Ing. María Eugenia Durand


Sólidos intercambiadores



por ejemplo las zeolitas.

Una de ellas →Na₂O.Al₂O₃.4SiO₂.2H₂O Dado el caso de una solución con iones cargados positivamente (cationes) como Ca ⁺ los cuales difunden a través de los poros del sólido y se intercambian con los cationes Na ⁺ presentes en el mineral: Na₂R+Ca⁺²

→

CaR+2Na₊

R: residuo de la zeolita Una vez saturada la zeolita con Ca ⁺², se puede regenerar poniéndola en contacto con una solución salina. CaR+2ClNa

→

Na₂R+CaCl₂



La velocidad de intercambio iónico va a depender de: La difusión de los iones desde el seno del líquido hasta la superficie externa del sólido. La difusión interna de los iones hasta el lugar de intercambio. El intercambio iónico que se de. La difusión de los iones liberados desde la superficie del sólido hasta el líquido.


Unidad filtrante compuesta (antracita/arena, arena, graba)

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