Tema IV: Adsorción e intercambio iónico

Question 1

Intercambio iónico

Answer 1

• Operación sólido-líquido
• Intercambio reversible de iones entre ciertos sólidos y una solución de electrolitos.
• Separación y fraccionamiento de iones.
  *Naturaleza química.
  *Interacción de los iones con el sólido.
  *Difusión de los iones dentro de la fase sólida.

Question 2

Adsorción

Answer 2

*Capacidad especial de ciertos sólidos para hacer
que sustancias específicas de una solución se concentren en la superficie de la misma.
* Separar unos de otros los componentes de soluciones gaseosas o líquidas.

Question 3

Adsorción

Answer 3

• La mezcla por separar se pone en contacto con otra
  fase insoluble el sólido adsorbente
• La distinta distribución de los componentes originales entre la fase adsorbida en la superficie sólida y el fluido permite que se lleve a cabo una separación.

Question 4

En el campo de las separaciones gaseosas, la adsorción se utiliza para:

Answer 4

1. Deshumidificar aire y otros gases
2. Eliminar olores e impurezas desagradables
   (dióxido de carbono)
3. Recuperar vapores valiosos de disolvente a partir de mezclas diluidas con aire y otros gases
4. Fraccionar mezclas de gases de hidrocarburos que contienen sustancias como metano, etileno, etano, propileno y propano.

Question 5

Las separaciones típicas de líquidos incluyen:

Answer 5

1. Eliminación de humedad disuelta en gasolina
2. Decoloración de productos de petróleo y soluciones acuosas de azúcar
3. Eliminación de sabor y olor desagradables del agua
4. Fraccionamiento de mezclas de hidrocarburos aromáticos y parafínicos.

Question 6

Tipos de Adsorción: La adsorción física o fisisorción

Answer 6

• Adsorción de “van der Waals”
• Fácilmente reversible:
  recuperar el sólido
  adsorbente (que se vuelve a utilizar), y sustancia adsorbida.
• Resultado de las fuerzas intermoleculares de atracción entre las moléculas del sólido y la sustancia adsorbida.
• NO penetra dentro del sólido NI se disuelve
• Permanece totalmente sobre la superficie, a menos que sea muy poroso.
  *Puede ser en gases y líquidos.
  PARA GASES –> Fuerzas intermoleculares entre un sólido-gas > gas- gas = gas se condensará sobre la superficie.

Question 7

Tipos de Adsorción: La adsorción química o quimisorción

Answer 7

• Interacción química entre el sólido y la sustancia adsorbida.
• La fuerza de la unión química puede variar
• Puede NO formar compuestos químicos en el sentido usual
• Fuerza de adhesión&raquo_space; adsorción física.
• Irreversible: sufre
  un cambio químico.
• (-) T ° –> Fisisorción
  + T ° –> Quimisorción
  *Los dos fenómenos pueden ocurrir al mismo tiempo.

Question 8

Naturaleza de los adsorbentes

Answer 8

• Generalmente forma granular
• Varían de tamaño
  desde aproximadamente 12 mm de diámetro hasta granos tan pequeños de 50 micras.
• No deben tener una caída de presión del flujo muy grande
  *NO ser arrastrados con facilidad por la corriente que fluye.
• Buena consistencia para que no se reduzca su tamaño al ser manejados y no se rompan al soportar su propio peso en lechos del espesor requerido.
• Fluir libremente: sacar y meter con frecuencia de los recipientes que los contienen
• Gran superficie de contacto por unidad de peso para todos los adsorbentes útiles.

Question 9

Adsorbentes de uso general: Tierras de Fuller

Answer 9

*Arcillas naturales, silicatos de aluminio y magnesio.
* Tamaño desde gránulos grandes hasta polvo fino.
* Para decolorar, neutralizar y secar productos del petróleo como aceites lubricantes, aceites de transformador, Querosenos y gasolinas, lo mismo que aceites vegetales y animales.

Question 10

Adsorbentes de uso general: Arcillas activadas.

Answer 10

• No muestran ningún poder de adsorción hasta que se activan mediante el tratamiento con ácido sulfúrico o clorhídrico.
• La arcilla se lava, se seca y se reduce a un polvo fino.
• Es particularmente útil para decolorar productos del petróleo; desechable.

Question 11

Adsorbentes de uso general: Bauxita

Answer 11

*Cierta forma de la alumina
*óxido de aluminio Al2O3, tipo de cerámica con estructura
cristalina
* Debe activarse mediante calentamiento a temperaturas que
varían entre 450 a 1 500 °F, con el fin de activar su poder de adsorción.
*Se utiliza para decolorar productos del petróleo y para sacar gases; se puede reactivar mediante calentamiento.

Question 12

Adsorbentes de uso general: Alúmina

Answer 12

*Óxido de aluminio hidratado, duro
*Se activa por calentamiento para eliminar la humedad.
*El producto poroso se puede conseguir como gránulos o polvos
*Se utiliza como desecante de gases y líquidos. Puede reactivarse para volverse a utilizar.

Question 13

Adsorbentes de uso general: Carbones decolorantes

Answer 13

*Formas de activación:
(a) Se mezcla materia vegetal con sustancias inorgánicas como cloruro de calcio; se carboniza y elimina por lixiviación la materia inorgánica.
(b) Mezclando materia orgánica, como aserrín, con sustancias porosas como piedra pómez;
luego se emplea calentamiento y carbonización para depositar la materia carbónica en todas las
partículas porosas.
(c) Se carboniza madera, aserrín y similares, luego se emplea activación con aire o vapor caliente.
*Usos: Decoloración de soluciones de azúcar, sustancias químicas industriales, drogas y líquidos de limpieza en seco, purificación de agua, refinamiento de aceites vegetales y animales y para la recuperación de oro y plata a partir de sus soluciones de cianuro.

Question 14

Adsorbentes de uso general: Carbón adsorbente de gases.

Answer 14

*Se prepara por carbonización de cáscaras de coco, semillas de fruta,
carbón y madera.
*Debe ser activado, proceso parcial de oxidación mediante tratamiento con aire o vapor caliente.
*Forma granular o de lentejas
*Uso: Recuperación de vapores de disolventes en mezclas gaseosas, recuperación de hidrocarburos de la gasolina a partir de gas natural y para el fraccionamiento de gases de hidrocarburos.
*Para volverlo a utilizar, se puede regenerar, por evaporación del gas adsorbido.

Question 15

Adsorbentes de uso general: Carbón activado de malla molecular.

Answer 15

*Forma preparada especialmente con aberturas de poro controladas,
que van desde 5 hasta 5.5 Angstroms (la mayoría van de 14 hasta 60 Angstroms).
*Los poros pueden admitir, por
ejemplo, hidrocarburos parafínicos. *Usos: Fraccionar compuestos acetilénicos, alcoholes, ácidos orgánicos, cetonas, aldehídos y muchos otros.

Question 16

Adsorbentes de uso general: Adsorbentes poliméricos sintéticos.

Answer 16

• Son perlas esféricas porosas, 0.5 mm de diámetro; cada perla es un conjunto de microesferas, 10-4 mm de diámetro.
• El material es sintético, fabricado de monómeros polimerizables de dos tipos principales.
  
  1. Aromáticos insaturados como estireno y divinilbenceno, –> adsorción de orgánicos no polares a partir de s’n ac.
  2. Esteres acrílicos –> solutos más polares s’n ac
• Regeneración: lixiviación con alcoholes o cetonas de bajo peso molecular.

Question 17

Adsorbentes de uso general: Sílica gel

Answer 17

*Es un producto muy duro, granular, muy poroso
*Se prepara a partir del gel precipitado por tratamiento
ácido de una solución de silicato de sodio.
*Su contenido en humedad antes de utilizarse varía del 4 al 7%
*Usos: Deshidratación del aire y otros gases y para el fraccionamiento de hidrocarburos.
*Regeneración: evaporación de la materia adsorbida.

Question 18

Adsorbentes de uso general: Mallas moleculares.

Answer 18

*Son cristales de zeolitas (minerales aluminosilicatos) sintéticas, porosos, aluminosilicatos
metálicos.
*Las “jaulas” de las celdas cristalinas pueden atrapar materia adsorbida
*El diámetro de los poros, controlado por la composición del cristal, regula el tamaño de las moléculas que pueden entrar o ser excluidas.
*Pueden separar de acuerdo con el tamaño molecular, y también por adsorción de acuerdo con la polaridad molecular y el grado de insaturación.
*Industrialmente 9 tipos, cuyos diámetros de poro van de 3 a 10 A; estos tipos tienen forma de lentejas, perlas y polvos.
*Usos: Deshidratación de gases y líquidos, la separación de mezclas de hidrocarburos gaseosos y líquidos y para una gran variedad de procesos.
*Regeneración: calentamiento o elución.

Question 19

Adsorción en el equilibrio

Answer 19

*+ adsorción a - T°.
* Adsorción puede variar dependiendo del sólido adsorbente.
*Diferentes gases y vapores se adsorben a grados diferentes en
condiciones comparables.
*Los vapores y gases se adsorben más fácilmente cuanto mayor es su peso molecular y menor su temperatura crítica
* El grado de insaturación de la
molécula también influyen sobre el grado de adsorción.

Question 20

Efecto de la temperatura

Answer 20

*Adsorción es un proceso exotérmico
*+ T° = - [g adsorbido], a P dada en eq.
* -T° = + [g adsorbido], a P dada.
*Mayor adsorción a temperaturas de 30 a 80°C

Question 21

Adsorción de lecho fijo: Sistema de Adsorción

Answer 21

LECHO DE ADSORCIÓN
*Partículas adsorbentes en un lecho de 0.3 a 1.2 metros de espesor.
*El lecho está fijo, soportado sobre una superficie perforada.
*Flujo descendente para evitar la fluidización a altas velocidades.
OPERACIÓN
*Gas limpio sale cuando la [Soluto] alcanza un valor o después de un tiempo específico.
*Puede dirigirse a otro equipo para una segunda etapa de separación si es necesario.
REGENERACIÓN DEL ADSORBENTE:
*Regeneración con gas inerte caliente o preferiblemente vapor de agua cuando el solvente no es miscible en agua.
*El vapor de agua condensa en el lecho, proporcionando energía para la desorción.
*Enfriamiento y secado con un gas inerte
DISEÑO DEL SISTEMA
*El área de la sección transversal se calcula para obtener velocidades superficiales de 0.15 a 0.45 m/s.
Baja caída de presión utilizando adsorbentes típicos (416 mallas)
*En casos de velocidades de flujo muy grandes, se puede instalar un lecho rectangular en un cilindro horizontal en lugar de un tanque vertical.

Question 22

Adsorción para líquidos: carbón activado para remover contaminantes a partir de desechos acuosos

Answer 22

*Eliminar compuestos orgánicos de agua que pueden ser contaminantes = - oportunidad de formación de compuestos tóxicos.
* Adicionar carbón en polvo a un tanque de solución utilizando agitadores mecánicos o aspersores de aire para mantener las partículas suspendidas.
*Con las partículas finas, la adsorción es mucho más rápida que con el carbón granulado, pero se necesita un equipo mayor para eliminar el carbón agotado por
sedimentación o filtración.

Question 23

Equilibrio – Isotermas de adsorción

Answer 23

*La isoterma de adsorción es la relación de equilibrio entre la [ ] de la fase fluida (gas o líquido) y la [ ] de las partículas de adsorbente a una temperatura determinada.
*[Gases] –> % en moles o como presión parcial.
* [líquidos] –> Unidades de masa, tales mg/L (ppm) o ug/L (ppb).
*[adsorbato] –> masa adsorbida por unidad de masa de adsorbente original.
Tipos de isoterma
*Lineal –> Pasa por el origen de coordenadas y la cantidad adsorbida es proporcional a la concentración en el fluido.
*Convexas hacia arriba –> Favorables, + sólido para - [fluido].
*Cóncava hacia abajo –> Desfavorable - sólido = largas zonas de transferencia de materia en el lecho.
El gel de sílice presenta una isoterma casi lineal

Question 24

Coeficiente global de transferencia de masa (Kc)

Answer 24

*Depende del coeficiente externo kc,ext y de un coeficiente
interno efectivo kc,int.
*La difusión en el interior de la partícula es un proceso de estado estacionario
*El valor kc,int disminuye con el tiempo –> las moléculas de soluto tienen que penetrar cada vez más hacia el interior de la partícula para alcanzar los puntos de adsorción.

Question 25

Criterios de Diseño de adsorbedores

Answer 25

• Si se tiene un lecho corto o pequeño significa cortos tiempos de adsorción y una regeneración más frecuente y altos costos de regeneración.
  PURIFICACIÓN GASES:
• Mallas de carbón de medida 4 x 6 ó 4 x 10, pero se utilizan tamaños menores cuando se necesita una mejor TM y la caída de presión no es un problema.
• La velocidad del gas está por lo regular entre 15 y 60 cm/s
  LIQUIDOS:
  *Pequeñas partículas, y la velocidad del fluido es mucho menor que en los gases.
• 20 x 50 mallas de carbón
  *Velocidad superficial de 0.3 cm/s

Question 26

Regeneración

Answer 26

Si el compuesto adsorbido no es valioso:
* Regenera el adsorbente con una solución química a un pH diferente para dar un producto concentrado libre de sólidos y de algunas de las impurezas solubles.
* Reactivación carbón por medio de vapor –> Vapor de agua a través de la cama de carbón, se usa el flujo contrario con vapor de 130 a 150 °C. Consumo 0.2 a 0.4 lb de vapor/lb de carbón.
Si es para recuperar un producto valioso:
*Desorción NO –> degradaría el producto.
*Regeneración por deslizamiento: Desplazar el adsorbato por medio de un gas o un líquido que sea fuertemente adsorbido y se pueda separar fácilmente del producto.

Question 27

Proceso Exxon: Separación de parafinas lineales de peso molecular medio

Answer 27

• Las moléculas lineales se extraen de la alimentación líquida por adsorción a 300 °C por medio de filtros moleculares con cavidades de 5 Å, mientras que se excluyen los isómeros cíclicos y los ramificados.
• Las parafinas lineales se desorben por medio de amoníaco gaseoso.
  *Los hidrocarburos se extraen con facilidad por medio de la condensación y el amoniaco se vuelve a usar.
  *El tiempo completo del ciclo es de 12 a 30 min, dependiendo de la [] de las parafinas de la alimentación.

Question 28

Desorción

Answer 28

Proceso en el cual las moléculas adsorbidas, que se han adherido a la superficie de un sólido (como un adsorbente), son liberadas y vuelven al estado gaseoso o líquido.

Question 29

La lixiviación

Answer 29

Proceso en el cual se extraen sustancias solubles de un sólido, generalmente utilizando un líquido.