9

Captulo 2

Adsorbedores

En el control de la contaminacin del aire, podemos emplear tanto procedimientos de absorcin como de adsorcin para remover compuestos orgnicos voltiles (COVs) de corrientes de gas.

La absorcin consiste en la transferencia selectiva de los compuestos orgnicos voltiles en una corriente gaseosa a una corriente lquida. La absorcin puede ser qumica o fsica. La primera involucra la reaccin entre el compuesto orgnico voltil y el solvente, mientras que la absorcin fsica slo implica la disolucin del compuesto.

En el control de la contaminacin del aire, la adsorcin se emplea para remover compuestos orgnicos voltiles (COVs) de corrientes de gas con baja o media concentracin, cuando deba alcanzarse alguna concentracin restringida de salida y/o se desea la recuperacin del COVs. La adsorcin misma es un fenmeno en donde las molculas de gas que pasan a travs de un lecho de partculas slidas son selectivamente retenidas por fuerzas de atraccin, las cuales son ms dbiles y menos especficas que las de las uniones qumicas. Durante la adsorcin, una molcula de gas emigra desde la corriente de gas hacia la superficie del slido donde es retenida por atraccin fsica, liberando energa el calor de adsorcin. La capacidad de adsorcin del slido tiende a incrementarse con la concentracin de la fase gas, el peso molecular, la difusividad, la polaridad y el punto de ebullicin.

La mayora de los gases (adsorbatos) pueden ser removidos (desorbidos) del

adsorbente calentando hasta una temperatura suficientemente alta, reduciendo la presin a un valor suficientemente bajo (desorcin por vaco).

Los adsorbentes utilizados en gran escala incluyen al carbn activado, slica gel, almina activada, zeolitas sintticas, tierra de fuller y otras arcillas. La ms importante caracterstica de los adsorbentes slidos son sus grandes superficies, volumen y su afinidad para componentes individuales. Algunos de estos adsorbentes as como sus usos se muestran en la Tabla 4. Tabla 4. Adsorbentes Utilizados para el Control de Contaminantes Gaseosos.

Adsorbente Uso Carbn activado Recuperacin de solventes, eliminacin de olores, purificacin de gases. Almina Secado de gases, aire y lquidos. Bauxita Tratamiento de fracciones del petrleo, secado de gases y lquidos. xido de Calcio (cal) Eliminacin de dixido de azufre y neblinas cidas. Slica gel Eliminacin de la humedad de gases.

Esta seccin est orientada hacia el uso del carbn activado, un adsorbente comnmente utilizado para COVs.

10

2.1 Tipos de adsorbedores

En la recoleccin de gases se utilizan cinco tipos de equipos de adsorcin: Lechos fijos regenerables, latas desechables/regenerables, adsorbedores de lecho movible, adsorbedores de lecho fluidizado entre otros. De estos equipos, los ms comnmente utilizadas en el control de la contaminacin del aire son los tipos de lecho fijo y de recipiente de carbn desechable. Esta seccin trata solo las unidades de lecho fijo y de recipientes de carbn desechables. 2.1.1 Unidades de lecho fijo

En las unidades de lecho fijo el tamao puede ser diseado para controlar corrientes continuas que contienen COV sobre un amplio rango de relaciones de flujo. La concentracin de COV de corrientes que pueden ser tratadas por adsorbedores de lecho fijo pueden ser tan bajas como varias partes por billn por volumen (ppbv).

Los adsorbedores de lecho fijo pueden ser operados ya sea de modo intermitente o continuo. En la operacin intermitente, los adsorbedores remueven COVs durante un tiempo especificado (tiempo de adsorcin), el cual corresponde al tiempo durante el cual la fuente controlada est emitiendo COV. Despus de que el adsorbedor y la fuente son apagados (v.g., durante la noche), la unidad comienza el ciclo de desorcin durante el cual el COV capturado es removido del carbn. Este ciclo a la vez, consiste de tres pasos: (1) regeneracin del carbn por calentamiento, generalmente pasando vapor a travs del lecho en direccin opuesta al flujo del gas; (2) secado del lecho, con aire comprimido o con un ventilador; y (3) enfriamiento del lecho hasta su temperatura de operacin por medio de un ventilador.

En la operacin continua, un lecho de carbn regenerado est siempre disponible para la adsorcin, de modo que la fuente controlada puede operar continuamente sin paros. Si el ciclo de desorcin es significativamente ms corto que el ciclo de adsorcin, puede ser ms econmico tener tres, cuatro o an ms lechos operando en el sistema o puede proporcionar algunos beneficios adicionales, relativos al mantenimiento de un contenido bajo de COV en el efluente. En la fig. 1 se muestra un ejemplo tpico de un sistema absorbedor de carbn de lecho fijo de dos lechos operado continuamente. 2.1.2 Unidades con recipientes de carbn desechables.

Los adsorbedores tipo recipiente de carbn desechable se refieren a envases retornables, tales como tambores de 55 galones estn normalmente limitados a controlar corrientes de gas intermitentes, de bajo volumen (tpicamente 100 ft3/min, como mximo). Los recipientes de carbn desechables no son diseados para la desorcin en el sitio. Sin embargo, el carbn puede ser regenerado en una planta central.

11

Una vez que el carbn alcanza un cierto contenido de COVs, se para la unidad, se reemplaza con otra y se desecha. El tipo de carbn utilizado depende de la naturaleza del COV a ser tratado.

En teora, una unidad con recipiente de carbn desechable permanecera en servicio ms tiempo que el que una unidad regenerable estara en su ciclo de adsorcin, debido a una mayor capacidad terica del carbn fresco comparado con el carbn regenerado en el sitio. El mantenimiento adecuado de registros y el monitoreo peridico del nivel de saturacin, pueden ser apoyados por una modelacin de la vida del lecho proporcionada por los proveedores, para asegurar que el reemplazo de las latas ocurre con suficiente frecuencia y que no ocurre la saturacin.

En equilibrio, la cantidad de gas que es adsorbido sobre el carbn activado, es una funcin de la temperatura y presin de adsorcin, de las especies qumicas adsorbidas y de las caractersticas del carbn, tales como el tamao de partcula del carbn y la estructura de los poros.

El tratamiento de la adsorcin de mezclas de gases es complejo, un COV en una mezcla tender a desplazar a otro en la superficie del carbn. Generalmente, los COVs con

Figura 1. Tpico sistema adsorbedor de carbn de lecho fijo operado continuamente

12

presiones de vapor ms bajas desplazarn a aquellos con presiones de vapor ms altas. As, durante el curso del ciclo de adsorcin, la capacidad del carbn por un constituyente de presin de vapor ms alta decrece. Este fenmeno debe ser considerado al determinar el tamao del adsorbedor. Uno normalmente basara los requerimientos del ciclo de adsorcin en el componente menos adsorbible en una mezcla y el ciclo de desorcin en el componente ms adsorbible.

La adsortividad de equilibro es la cantidad mxima de adsorbato que el carbn puede retener a una temperatura y presin parcial de COV dadas. En los sistemas de control reales nunca se permite a todo el lecho de carbn alcance el equilibrio, en su lugar, una vez que la concentracin de salida alcanza un valor preestablecido (concentracin de saturacin), se para el adsorbedor para la desorcin o reemplazarlo. En el momento en el que se para el recipiente, la concentracin promedio de COV en el lecho puede ser solo 50% o menos de la concentracin de equilibrio. Esto es, el lecho de carbn puede estar en equilibrio (saturado) a la entrada del gas, pero contener solo una pequea cantidad de COV cerca de la salida. En la fig 2 se muestran las isotermas de adsorcin para adsorbatos a diferentes temperaturas.

Abs

ortiv

idad

en

el e

quili

brio

(lb

abs

orba

to /

lb a

bsor

bent

e)

Presin parcial de adsorbato (psia)

Figura 2. Tipos de Isotermas de Adsorcin para Adsorbatos Hipotticos

13

2.2 Procedimiento de diseo. 2.2.1 Parmetros de diseo.

Los datos recibidos de los proveedores de adsorbedores indican que el tamao de equipo comprado de un sistema adsorbedor de carbn de lecho fijo o de recipiente de carbn desechable depende primariamente de cinco parmetros:

El flujo volumtrico del gas cargado de COV pasando a travs del (los) lecho(s) de carbn.

La cargas de masa de entrada y salida de COV de la corriente de gas.

El tiempo de adsorcin (v.g,. el tiempo que un lecho de carbn permanece en lnea

para adsorber COV antes de ser sacado de lnea para la desorcin del lecho).

La capacidad de trabajo del carbn activado en sistemas regenerativos o la capacidad de equilibrio en caso de sistemas no regenerativos.

La humedad de la corriente de gas, especialmente en el efecto de la humedad sobre la

capacidad en relacin a los halgenos.

El flujo, a su vez, determina el tamao de los recipientes que alojan al carbn, las capacidades del ventilador y del motor necesario para transportar al gas residual a travs del sistema y del dimetro de los conductos.

Son tambin importantes las cargas de entrada y de salida de COV de la corriente del gas, el tiempo de adsorcin y la capacidad de trabajo del carbn. Estas variables determinan la cantidad del carbn cargado inicialmente al sistema. Ms an, la cantidad de la carga del carbn afecta el tamao del equipo auxiliar (condensador, decantador, ventilador de secamiento del lecho/ventilador de enfriamiento), porque las dimensiones de estos artculos estn ligadas a la cantidad de COV removido del lecho.

La carga de entrada de COV es fijada por los parmetros de la fuente, mientras que la carga de salida es fijada por el lmite de emisin de COV. 2.2.2 Tiempos de adsorcin y de desorcin.

La relacin entre tiempo de adsorcin, tiempo de desorcin y capacidad extra requerida puede ser generalizada.

14

Mc = McI f Ec. 2.1

donde:

Mc,McI = cantidades de carbn requeridas para control continuo o intermitente de una fuente dada, respectivamente (lb) f = factor de capacidad extra (sin dimensin)

El factor f, est relacionado con el nmero de lechos adsorbiendo (NA) y desorbiendo

(ND) en un sistema continuo como sigue:

A

D

NN1 f += Ec. 2.2

Nota: NA es el nmero de lechos en un sistema intermitente que estaran adsorbiendo

en cualquier momento dado. El nmero total de lechos en el sistema sera NA + ND.

Puede demostrarse que el nmero de lechos desorbiendo requeridos en un sistema continuo (ND) est relacionado con el tiempo de desorcin (D), el tiempo de adsorcin (A), y el nmero de lechos adsorbiendo, como sigue:

A

D

NN

AD Ec. 2.3

Nota: D es el tiempo total necesario para la regeneracin, secado y enfriamiento del lecho.

Por ejemplo, para un tiempo de adsorcin de ocho horas, en un sistema de siete lechos operado continuamente (seis adsorbiendo, uno desorbiendo), D tendra que ser 1-1/3 horas o menos (8 horas/6 lechos). De otro modo, tendran que agregarse lechos adicionales para proporcionar la suficiente capacidad extra durante la desorcin. 2.2.3 Procedimiento de estimacin de los requerimientos de carbn.

Un procedimiento prctico para estimar el requerimiento de carbn est basado en la capacidad de trabajo (We, lb COV/lb carbn). Esta es la diferencia por unidad de masa de carbn entre la cantidad de COV en el carbn al final del ciclo de adsorcin y la cantidad remanente en el carbn al final del ciclo de desorcin. No debe confundirse con la capacidad de equilibrio (We). En el diseo de adsorbedores, no sera viable permitirle al lecho alcanzar el equilibrio. Si as fuera, la concentracin de salida se incrementara rpidamente ms all de la concentracin de salida permisible (o de saturacin), hasta que la concentracin de salida alcanzara a la concentracin de entrada. Durante este perodo el adsorbedor estara violando el lmite de emisin.

La capacidad de trabajo es alguna fraccin de la capacidad de equilibrio depende de la temperatura, de la presin parcial de COV y de la composicin de COV. La capacidad de

15

trabajo tambin depende de la relacin de flujo y de los parmetros del lecho de carbn.La capacidad de trabajo, junto con el tiempo de adsorcin y la carga de COV de entrada, es utilizada para calcular el requerimiento de carbn para un adsorbedor de carbn desechable o para un adsorbedor de lecho fijo operado intermitentemente como sigue:

Ac

COVcI w

mM = Ec. 2.4 donde: mcov = Carga de COV de entrada (lb/h)

Combinando sta con las Ecuaciones 2.1 y 2.2 produce la ecuacin general para la

estimacin de la carga total de carbn del sistema para un sistema operado continuamente:

+=

A

DA N

N1

c

covC w

mM Ec. 2.5

Los valores para wc pueden obtenerse del conocimiento de las unidades operando. Si

no hay valor disponible para wc para el COV (o mezcla de COV) en duda, la capacidad de trabajo puede ser estimada como 50% de la capacidad de equilibrio, como sigue:

wc 0.5 we (max) Ec. 2.6 donde: we (max) = la capacidad de equilibrio (lb COV/lb carbn) tomadas en la entrada del

adsorbedor (v.g., el punto de mxima concentracin de COV).

Nota: esta cifra de 50% debe disminuirse si cualquiera de los siguientes factores estn involucrados: ciclos de desorcin cortos, constituyentes con presiones de vapor muy altas, altos contenidos de humedad, cantidades significativas de impurezas o COVs difciles de desorber. Adems, la presencia de impurezas en la corriente de COV de entrada fuertemente adsorbidas, puede acortar la vida del carbn significativamente.

Como lo muestra la Ecuacin 2.5, el requerimiento de carbn es directamente proporcional al tiempo de adsorcin. Esto tendera a indicar que un sistema podra ser diseado con un tiempo de adsorcin ms corto para minimizar el requerimiento de carbn. Sin embargo, tambin significara que el lecho de carbn tendra que desorberse ms frecuentemente, esto significara que el vapor de regeneracin tendra que ser suministrado al(los) lecho(s) ms frecuentemente para remover (a la larga), la misma cantidad de COV. An ms, cada vez que el lecho es regenerado, el vapor suministrado debe calentar al recipiente y al carbn, as como retirar el COV adsorbido. Y el lecho debe ser secado y enfriado despus de cada desorcin, independientemente de la cantidad de COV removida. Entonces, si el lecho es regenerado muy frecuentemente, el ventilador para

secado/enfriamiento del lecho debe operar ms seguido, incrementando su consumo de energa. Tambin, la regeneracin ms frecuente tiende a acortar la vida del carbn. Como procedimiento prctico, la frecuencia ptima de regeneracin para adsorbedores de lecho fijo tratando cargas de moderadas a altas de COV de entrada, es una vez cada 8 a 12 horas.