Puesta a punto de un equipo de adsorción gas-sólido

Abstract

El proceso de adsorción como operación de separación es ampliamente aplicado en la industria química, es un proceso en el cual átomos, iones o moléculas llevados en un fluido son retenidos en la superficie de un compuesto (adsorbente) con el que se encuentra en contacto. Existen dos tipos de adsorción, la adsorción gas/sólido y líquido/sólido. Ambos tipos se pueden clasificar según el tipo de interacción que produce la separación y si el proceso ocurre en fase dinámica o estática. Los principales factores que influyen en la adsorción son: - El relleno utilizado. - La naturaleza del adsorbido y del adsorbente. - Temperatura y presión de operación. - Concentración. El proceso de desorción es el proceso inverso, es un fenómeno de regeneración del relleno para su reutilización y poder aislar o recuperar el adsorbido. Dentro de las aplicaciones industriales, la más extendida es la adsorción de compuestos orgánicos volátiles, en el área de purificación de gases, utilizando carbón activo como relleno. La principal ventaja del uso de la tecnología de adsorción frente a otras es que permite la recuperación del adsorbido (generalmente disolventes de interés industrial) permitiendo adquirir un valor añadido. El proceso de adsorción también se aplica para el CO2 procedente de fermentadores industriales y otros procesos industriales, el principal problema es que no es adecuado para separar grandes cantidades de CO2. El valor añadido del CO2 adsorbido se aplica a varios usos industriales como son: tratamiento de alimentos, utilización biológica y química. En este trabajo se dispone de un equipo a escala planta piloto que ha permitido realizar ensayos de adsorción utilizando como fluido de alimentación aire con CO2, y como material adsorbente carbón activo universal y una arcilla de origen desconocido. El objetivo principal de este proyecto es lograr la puesta a punto de un equipo de adsorción gas-sólido para posteriormente realizar estudios de adsorción. Como objetivo secundario, se desarrolla material docente que pueda ser replicado con fines educativos por alumnos de la E.T.S.I.I. en sesiones experimentales. El estudio de la adsorción y caracterización del relleno, se lleva a cabo empleando dos equipos: - Planta piloto Pignat: Equipo formado por dos columnas, dos entradas para formar la alimentación de aire (proveniente de un compresor) y otro gas (CO2 en este caso). El equipo consta de varias válvulas, caudalímetros y sensores, así como de un sistema de precalentado del gas de desorción y un sistema de calentamiento de las columnas que permite realizar los ensayos a diferentes temperaturas. El método de análisis se lleva a cabo mediante un borboteador con anillos Pall, diseñado para ser utilizado con una disolución de hidróxido de sódico, la cual reacciona con el CO2 no adsorbido en las columnas, proporcionando la información necesaria para observar el comportamiento de la adsorción en función del tiempo. El equipo también dispone de conexiones que permitirían tomar muestras y ser analizadas mediante equipos específicos de análisis de gases basados en cromatografía o espectroscopia. - Borboteador gas-líquido: Se utiliza como método complementario de caracterización de la capacidad de adsorción de los adsorbentes. Se utiliza para pasar el CO2 a través de los mismos rellenos utilizados en el equipo Pignat y poder observar la capacidad de adsorción por diferencia de pesada. Resultados y discusión: - Equipo Pignat. En primer lugar se realiza una puesta a punto del equipo, se revisan los componentes y conexiones y se resuelven los problemas encontrados. A continuación se realizan pruebas con distintas condiciones de operación hasta encontrar los parámetros operativos adecuados al equipo. Los rellenos utilizados son carbón activo universal en una columna y una arcilla de origen desconocido en la otra. Se realizaron ensayos con distintos caudales de CO2 y temperatura obteniendo el comportamiento de la adsorción en las columnas para cada relleno. Se obtienen las curvas de rotura de la columna, y se observa cómo se saturan antes cuanto mayor es el caudal de CO2 en la alimentación. La influencia de la temperatura no es clara, ya que la precisión del método de análisis utilizado no es suficiente como para percibir diferencias en los resultados. Finalmente se realiza una comparativa con los resultados de otros estudios publicados en la literatura con el objetivo de dar validez a los resultados obtenidos. Se puede apreciar como el tiempo de saturación del relleno en el equipo utilizado es menor que el realizado en los otros estudios publicados en la literatura. Todo parece indicar, que las desorciones realizadas en nuestro equipo al ser llevadas a cabo mediante aire, y no un gas inerte como el nitrógeno provocan que no se produzca la desorción de nuestros rellenos totalmente, y sea la causa de que se saturen antes. - Borboteador gas/líquido. Mediante el empleo del borboteador con los dos rellenos utilizados se confirma por diferencia de pesada la capacidad de adsorción de los rellenos, y se aprecia claramente como la adsorción es un proceso exotérmico. La diferencia de pesada varía notablemente en función de la temperatura, por lo que se comprueba la influencia de la misma en la adsorción, dando lugar a una mayor cantidad de CO2 adsorbido a baja temperatura, y menor cantidad a alta temperatura. Conclusiones: A partir de materiales, documentación recopilada y equipos al alcance en el laboratorio se ha conseguido la puesta a punto de una unidad docente en desuso. Con ello, se logra realizar ensayos de adsorción y desorción utilizando los dos rellenos disponibles y diseñar un proceso operativo replicable con éxito. Con la finalidad de confirmar los resultados obtenidos, es decir, que se producía la adsorción, se emplean dos borboteadores gas/líquido, y por diferencia de pesada se pudo comprobar a ciencia cierta que se producía la adsorción y la influencia de temperatura. Con el trabajo realizado, se diseña un guión de laboratorio, el cual alumnos de la E.T.S.I.I ya han utilizado replicando los ensayos realizados con éxito, lo que les ha permitido poner en práctica conocimientos teóricos en una planta piloto que les ayudará a familiarizarse a lo que sería una planta real de mayores dimensiones. Finalmente, la puesta a punto del equipo, abre nuevas líneas futuras a realizar diferentes ensayos en el futuro, ya sea utilizando diferentes adsorbentes, distintos equipos de análisis o el uso de nitrógeno en la desorción y hielo seco para poder obtener muestras del proceso de la desorción.