12.3D Modelos básicos para predecir la adsorción

La adsorción en lechos fijos es el método más importante que se utiliza para este proceso. Un lecho fijo o empacado consta de un tubo cilíndrico vertical lleno o empacado con partículas adsorbentes.

Los adsorbentes se diseñan principalmente según los datos de laboratorio y los métodos descritos en la sección de Capacidad de la columna y el método de diseño para su aumento de escala. Aunque a veces es posible predecir de forma aproximada su comportamiento a partir de datos de equilibrio y cálculos de transferencia de masa.

En esta sección se describen las ecuaciones básicas para la adsorción isotérmica, a fin de que se entiendan mejor los fundamentos de este proceso.

El balance de materia del soluto en estado no estacionario en el fluido es como sigue para una sección de longitud dz del lecho.

Figura. Balance de masa para una sección de lecho fijo.

Donde

ε es la fracción vacía externa del lecho

v es la velocidad superficial en el lecho vacío, en m/s

ρp es la densidad de partícula, en kg/m3

E es un coeficiente de dispersión axial, en m2/s

El primer término representa la acumulación de soluto en el líquido. El segundo término es la acumulación de soluto en el sólido. El tercer término representa la cantidad de soluto que fluye por convección hacia la sección dz del lecho menos la que fluye hacia afuera. El último término representa la dispersión axial de soluto en el lecho que provoca la mezcla de soluto y disolvente.

Existen soluciones a esta ecuación que son no lineales y acopladas. Con frecuencia, estas soluciones no concuerdan bien con los resultados experimentales.

12.3E Variables de proceso y ciclos de adsorción

Los procesos de adsorción a gran escala se pueden dividir en dos amplias clases. La primera y más importante es el sistema cíclico por lotes, en el cual el lecho fijo de adsorción se satura y se regenera alternativamente de manera cíclica. La segunda es un sistema de flujo continuo que implica un flujo continuo de una contracorriente de adsorbente hacia un flujo de alimentación.

Sistema cíclico por lotes: En la figura 25.1 se muestra un sistema de equipo de adsorción cíclico por lotes. Las partículas de adsorbente se colocan en un lecho de cierto espesor soportado sobre un tamiz o placa perforada. La alimentación gaseosa circula en sentido descendente a través de uno de los lechos mientras que el otro se encuentra en regeneración. Cuando la concentración de soluto en el gas que sale alcanza un cierto valor, o bien para un tiempo previamente establecido, se accionan automáticamente las válvulas con el fin de dirigir la alimentación al otro lecho e iniciar la secuencia de regeneración.

Hay cuatro métodos básicos de uso común para el sistema de adsorción cíclico por lotes en lechos fijos. Estos métodos difieren uno de otro principalmente por los medios que se usan para regenerar el adsorbente después del ciclo de adsorción.

1. Ciclo de oscilación de temperatura. También se llama ciclo de oscilación térmica. El lecho de adsorción usado se regenera calentándolo con serpentines de vapor dentro de él, o con una corriente de gas de purga caliente para eliminar el adsorbato. Después, el lecho se enfría, para que se pueda usar para la adsorción en el del ciclo siguiente. El tiempo de regeneración generalmente es de pocas horas.

2. Ciclo de oscilación de presión. En este caso el lecho se desorbe reduciendo la presión a temperatura esencialmente constante y luego purgando el lecho a baja presión con una pequeña fracción de la corriente del producto. Este proceso para gases usa un ciclo muy corto para la regeneración comparado con el ciclo de oscilación de temperatura.

3. Ciclo de remoción con gas de purga inerte. En este ciclo el adsorbato se elimina haciendo pasar un gas inerte o que no se adsorbe a través del lecho. Esto disminuye la presión parcial o la concentración alrededor de las partículas y sobreviene la deserción. Los tiempos de regeneración son de algunos minutos.

4. Ciclo de desplazamiento y purga. La presión y la temperatura se mantienen esencialmente constantes como al emplear gas de purga, pero se utiliza un gas o un

líquido que se adsorbe con más fuerza que el adsorbato y lo desplaza. También los ciclos suelen ser de pocos minutos.

La remoción con vapor se usa a menudo para regenerar sistemas de recuperación de disolventes que utilizan adsorbente de carbón activado, y se puede considerar como una combinación del ciclo de oscilación de temperatura y el de desplazamiento y purga.

Sistema de flujo continúo:

Implica un flujo continuo de una contracorriente de adsorbente hacia un flujo de alimentación. Dos lechos pueden distribuirse de forma vertical como en la figura 25.13, y los sólidos se moverán por gravedad a través del desorbedor y el adsorbedor, y entonces serán cargados por medio de un transportador neumático o un elevador de cubeta a la parte superior de la columna.