Equilibrio Fases
Heterogéneas
Dr. Luis Alonso Díaz Robles
Adsorción versus Absorción
Definition
Adsorción
Aplicaciones
❑Control
de olores
The concentration
of gases, liquids or
❑dissolved
Remoción desubstances
COVs
(adsorbate) on
❑ Recuperación de solventes volátiles (ejemplo benceno,
the surface of solids (adsorbent).
etanol)
Salida
Adsorbato
Entrada
Adsorbente (substrato sólido)
Adsorción – 2 clases de procesos
¶ Adsorción física
Fuerzas de London-van der Waals. Más común en control de
contaminantes. El proceso es reversible y exotérmico a 0.1
kcal/mole.
¶ Adsorción Química
Ocurre cuando los lazos covalentes o iónicos son formados @
las moléculas que se adsorben y el sustrato sólido. No es
reversible puesto que este proceso cambia la forma química de
los compuestos adsorbidos; por lo tanto no es reversible. Este
proceso es exotérmico a10 kcal/mole.
Mecanismo de Adsorción
Adsorbentes
•
•
•
•
•
Carbón activado
Alúmina activada
Silica Gel
Zeolitas
Adsorbentes Polares y Nopolares
Carbón Activado
•
Hecho de cuescos, madera, petróleo y carbón bituminoso
•
Se calienta en ausencia de oxígeno hasta deshidratar y
carbonizar (remueve componentes orgánicos),
•
"Activación" es el proceso que produce estructura de poros
esencial para una adsorción efectiva por una oxidación del
carbón con vapor de agua o CO2.
•
El carbón activado atrae moléculas no polares tales como
hidrocarburos.
•
Area superficial típica 300 a 1500 m2/g.
0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
Adsorción por Carbón Activado
Isotermas de Adsorción
Isotermas de Adsorción
Isoterma de adsorción: masa de absorbato por unidad de masa de
adsorbente en equilibrio y a una temperatura dada
Isoterma de Langmuir
Velocidad de adsorción
Velocidad de desorción
En equilibrio, ra = rd;
Mono-capa
ra = ka p(1 − f )
rd = k d f
ka p
f =
ka p + kd
m = ka ' f
f: fracción de area
superficial cubierta
p: presión parcial del
adsorbato
(1)
f
1-f
(2) ( m: masa de adsorbato adsorbida
por unidad de masa de adsorbente)
Combinando las ecuaciones
k1 p
p 1 k2
m=
 = + p
k2 p + 1
m k1 k1
k1 = ka x ka'
k2 = ka/kd
(3)
La isoterma de
Langmuir es mejor
para adsorción
química
p
Isoterma de Freundlich
Sobre un rango menor de p, ecuación (3) es:
m=k p
n
m = X / M = K F CF
1/ n
X
1
ln
= ln K F + ln[C F ]
M
n
Isoterma de Freundlich
Ejemplo de diseño:
A gas containing a VOC at 90 g/m3 is vented to a GAC
adsorber at 1.3 m3/s. The GAC is effective in removing
99.9% of the VOC. Adsorption equipment is available
with 75 kg GAC capacity, and reactivation should
occur at no less than 28 days intervals. The isotherm
values for the VOC at the temperature and moisture
conditions of the vented gas are:
KF = 210
1/n = 1.6
X/M = mg/g
What is the daily mass of GAC required to remove the
VOC from the gas stream?
Using Freundlich isotherm, we have
Isoterma BET
Desarrollada por Brunauer, Emmett y Teller (BET) como una extensión de la
isoterma de Langmuir para contabilizar adsorción en multicapa. La isoterma BET
trabaja mejor para adsorción física
V
cP
=
Vm ( Po − P)[1 + (c − 1)( P / Po )]
Ppresión de equilibrio
Po
vapor de presión saturada del gas adsorbido a la temperatura T.
P/Po presión relativa
Vvolumen del gas adsorbido por kg de adsorbente
Vm volumen de monocapa de gas adsorbido por kg de adsorbente
cconstante asociada con el calor de adsorción y calor de condensación
Isoterma BET
1
c −1 P
P
+
=
cVm cVm P0 V ( P0 − P)
P / P0
V (1 − P / P0 )
Y = a + bX
P/P0
Yaws et al. (1995) desarrolló una correlación para
Capacidad de adsorción basada en expansión de series
logarítmica:
log10X = a +b log10Ce+c[log10Ce]2
X = capacidad de adsorción, g cont./g carbón
Ce = concentración de cont. in ppm
a, b y c = constantes de correlación
Efectos de la Humedad
Tricloroetileno
Sistema de Cama o Lecho Fijo de
Adsorción
Regeneración
Theodore & Buonicore, 1988
Ejemplo de diseño
An activated carbon bed is used to control an air stream with a flow
rate of 20 m3/min at 25oC at a pressure of 1 atmosphere. The air
contains 850 ppm of monochlorobenzene. The bed is 0.5 m deep (in
the direction of flow), operates at a superficial velocity of 0.4 m/s,
and contains activated carbon with a bulk density of 400 kg/m3 of
bed. Assuming that the working adsorption capacity of the bed is
40% of the adsorption capacity predicted by logarithmic expression:
(a) Determine the working adsorption capacity of carbon
(b) Determine the physical dimensions of the activated carbon bed
if the x-sectional Lc = 2W
(c) Determine the mass of activated carbon in the bed.
(d) Determine the time in minutes required to reach breakthrough
Solution
(a) Use the logarithmic expression for activated carbon adsorption
log10X = a +b log10Ce+c[log10Ce]2
The coefficients, a, b and c for monochlorobenzene are:
a = -0.973; b =0.306; and c = -0.0335. The adsorption capacity,
log10X = -0.973 +0.306 log10Ce – 0.03335[log10Ce]2
Where X is the kg of adsorbate per kg of adsorbent
and Ce is in ppm. For Ce of 850 ppm,
log10X = -0.364
X = 0.432 kg C6H5Cl per kg carbon
The actual working capacity is 40% = 0.4 * 0.432 = 0.173kg/kg
(b) Total air flow rate = 20 m3/min or 0.333 m3/sec; superficial face
velocity = 0.4 m/sec, the bed area can be calculated:
Abed = Q/V = (0.333m3/sec)/(0.4 m/s) = 0.833 m2.
Since, Lc = 2W, and Abed = LcW = 2W2.
Thus, W = 0.645 m and Lc = 2W = 1.29 m.
(c) The mass of activated carbon in the bed (Wa):
Mass (kg) = volume of the bed (m3) x bulk density (kg/m3)
= 1.29 * 0.645 * 0.5 * 400 = 166.4 kg
(d) Breakthrough time based on complete saturation: tsat = X Wa/QCe
Total amount of adsorbate that could be adsorbed in the bed
Mass flow rate of adsorbate passing the bed
X * Wa = 0.173 (kgC6H5Cl/kg carbon)*166.4 kg carbon
= 28.79 kgC6H5Cl
Breakthrough time based on complete saturation: tsat = X*Wa/Q*C
Determine mass flow rate of adsorbate (Q*C) = (kg/min)
Q = 20 m3/min
Concentration of pollutant (C) = 850ppm (volume basis)
But, we need the unit in terms of mass per unit volume (kg/m3)
ppm x molecular wt
C (g/m3) = -------------------------- x 103 at 1 atm and 25oC.
24.5
= (850 *132.5 *103)/24.5 = 4.6 x106 g/m3 = 0.0046 kg/m3
Q*C = 20 (m3/min) * 0.0046 (kg/m3) = 0.092 kg/min
tsat = X*Wa/Q*C = (28.79 kgC6H5Cl)/(0.092kg/min) = 313 mins

Tiempo de quiebre (Tb)
Cg
Tb
=
Zt- 
---------vf
vf: velocidad de zona de adsorción, m/s
vf =
Qg (1 + k 2 C g )
k1  s  g Ac
vf
Zt
Ejemplo
Determine the breakthrough time for an adsorption bed that is 0.50m
thick and 10 m2 in x-section. The operating parameters for the bed
are as follows:
Gas flow rate: 1.3 kg/s of air
Gas temperature: 25oC
Gas pressure: 101.325 kPa
Bed density as packed: 420 kg/m3
Inlet pollutant concentration: 0.0020 kg/m3
Langmuir constants: k1= 18; k2 = 124
Width of adsorption zone = 0.03m
Sistema de
Lecho
Fluidizado
de
Adsorción
Caída de Presión en
Lechos Fijos
Pg d p  g
3
D(1 −  )G '
2
=
150 (1 −  )  g
d pG'
+ 1.75
P: caída de presión (lbf/ft2)
D: profundidad del lecho (ft)
 : huecos
g: constante gravitacional (lbm-ft/lbf-hr2)
G’: flux de gas (lbm/ft2-hr)
g: viscosidad de gas (lbm/ft-hr)
dp: diámetro de partículas (ft)
Rangos de operación:
< 20 in H2O; 20 < V < 100 ft/min
Ecuación Empírica de Union Carbide
1.56
 V 
P = 0.37 D

 100 
P: caída de presión del lecho, in H2O
V: velocidad del gas, ~60-140 ft/min
D: profundidad del lecho, ~5-50 inches
dp: 4X6 tamaño de malla del carbón
Información
• http://www.norit-americas.com