Viernes, septiembre 22, 2017

PURIFICACIÓN EN FASE LÍQUIDA

La adsorción con carbón en FASE LÍQUIDA es útil para remover compuestos orgánicos que causan color, olor y sabor indeseables. Esta técnica es en la mayoría de los casos, la opción más sencilla y económica comparada con otras técnicas, por ejemplo: destilación cristalización, etc. Aunque la mayor parte de los compuestos que adsorbe el carbón activado son de naturaleza orgánica, existen algunas importantes excepciones inorgánicas.

La adsorción en la FASE LÍQUIDA es resultado de dos fenómenos:

  • Adsorción Física: debida a las fuerzas de Van Der Waals
  • Adsorción Química: debida a la formación de enlaces químicos

Es importante mencionar que la adsorción en FASE LÍQUIDA es el resultado de un equilibrio entre la adsorción y desorción, en consecuencia, es un fenómeno complejo que puede verse influenciado por muchas variables.

LA ECUACION DE FREUNDLINCH

Existe una ecuación empírica que ha demostrado ser útil para predecir el comportamiento del carbón activado en la mayoría de las aplicaciones en fase líquida:

  • formulaX = Cantidad de impureza adsorbida.
  • M = Dosis de carbón.
  • C = Concentración residual de la Impureza.
  • KC 1/n = Constantes.

Si graficamos en papel logarítmico esta ecuación obtendremos una recta.grafica1

Esta gráfica es conocida como Isoterma de Freundlich y es de mucha utilidad al evaluar el comportamiento de un carbón activado para determinada aplicación, y encontrar la dosis adecuada.

Resulta interesante recalcar que si se graficaran para una determinada aplicación los datos de dosis del carbón vs el porcentaje de impureza removida, se obtendría una gráfica similar a ésta:

dosisDonde se pueden observar que existe un rango en el cual el carbón activado es eficiente, pero llega el momento en que aunque se agregue más carbón, la ganancia en remoción es cada vez menor.

Un carbón activado normalmente adsorbe entre un 10% y un 60% de su peso en impurezas. Desafortunadamente en FASE LÍQUIDA es común que la impureza a remover sea en realidad una mezcla de compuestos, y rara vez se conoce su composición exacta.

Por esto, la realización de las Isotermas tiene una gran importancia. Cabe aclarar que por lo mismo, la Isoterma será sólo aplicable a las condiciones bajo las cuales se realizó y al cambiar cualquiera de ellas, la Isoterma puede cambiar significativamente.

Resulta obvio que para que un compuesto sea adsorbido por el carbón activado sus moléculas deben penetrar los poros del mismo, en consecuencia, los poros del carbón deben tener un diámetro mayor que el de las moléculas de la Impureza.

Se ha visto que en FASE LÍQUIDA la mayoría de las impurezas son moléculas medianas y grandes que a su vez requieren de carbones con una gran cantidad de poros medios.

Al ser la adsorción un proceso en equilibrio, cualquier impureza que tenga afinidad con el producto en el que está presente, dificultará la adsorción.

Por ejemplo:

Un contaminante altamente soluble en el medio que se encuentra será más difícil de adsorber que uno de solubilidad media o baja.

Dentro del proceso de adsorción uno de los pasos normalmente más críticos es la difusión de las impurezas a remover hacia la superficie externa del carbón, por está razón, cualquier variable que afecte la difusividad, puede también tener un efecto sobre la adsorción.

VARIABLES QUE AFECTAN LA ADSORCIÓN EN FASE LÍQUIDA

En términos generales las variables más importantes que afectan la adsorción son:

Temperatura

Una mayor temperatura generalmente permite llegar al equilibrio más rápidamente; sin embargo, la cantidad de impureza adsorbida es menor. Esto quiere decir que si el tiempo no fuera Importante, se podría lograr una mayor adsorción a menor temperatura; lo cual rara vez es práctico a nivel industrial, por lo que aumentar la temperatura(cuando es posible) normalmente resulta benéfico.

pH

Muchos compuestos que provocan color, varían su estructura y su color al cambiar el pH. En la mayoría de los casos la decoloración a pH más bajo es más eficiente por 2 razones:

  • Los compuestos que generan color normalmente tiene una alta dependencia con el pH, siendo menos intenso a pH menor.
  • Posiblemente la adsorción es más eficiente a pH más bajo.

Cuando se tiene certeza del comportamiento, es mejor no modificar el pH y buscar un carbón activado con pH cercano al proceso.

Tamaño de partícula del carbón.

Como ya se mencionó, el área del carbón es interna y en consecuencia el tamaño de la partícula no tiene efecto sobre la capacidad adsortiva del carbón. Sin embargo, sí tiene efecto sobre la velocidad para alcanzar el equilibrio.

Por ejemplo: En una aplicación determinada probablemente se requerirán varias horas de contacto usando carbón granular, para obtener el mismo resultado que se tendría usando carbón pulverizado y 30 minutos de contacto. Las desventajas De una menor partícula son:

  • En el caso de carbones granulares: Mayor caída de presión.
  • En el caso de carbones pulverizados: Menor Filtrabilidad.

Pureza de un carbón: cenizas.

Las cenizas son compuestos inorgánicos presentes en la materia prima de la cual se partió para elaborar el carbón activado y que no alcanzan a volatilizarse durante la activación.

El contenido de cenizas suele asociarse con la calidad de un carbón; sin embargo, esto no es del todo cierto ya que en realidad lo importante es la parte de las cenizas que es soluble en el producto que se está purificando.

En muchas aplicaciones las cenizas no son importantes; sin embargo existen algunos procesos en los que la presencia de compuestos inorgánicos, por ejemplo calcio, magnesio, fierro, etc., pueden ocasionar alguna reacción indeseable.

UTILIZACIÓN DEL CARBÓN ACTIVADO EN FASE LÍQUIDA

En aplicaciones en FASE LÍQUIDA existen dos formas de utilizar el carbón activado:

  • Usando carbón activado granular
  • Usando carbón activado pulverizado

Ambos carbones tienen características específicas que les hace ser más o menos convenientes para un caso específico. La selección de alguno de ellos lleva consigo la selección de la forma de aplicarlo.

CARBÓN GRANULAR

Como se ha mencionado, la única diferencia entre un carbón granular y uno pulverizado es el tamaño de la partícula.

De lo que se deriva que, el tiempo requerido para obtener el mismo resultado es mucho mayor con carbón granular, mismo que se utiliza siempre en una columna empacada a través de la cual fluye el líquido. Este tipo de operación es sobre todo recomendable en procesos continuos con una calidad estable del licor a purificar y grandes flujos. Tiene la ventaja de que el carbón se puede regenerar y en consecuencia los consumos son menores; sin embargo, la inversión requerida es alta y no siempre se justifica.

La operación en columna tiene el mismo principio que el doble contacto a contracorriente, es más, en realidad podría considerarse un contacto de etapas múltiples. Entre el licor de entrada y el de salida existente un gradiente de concentración de impurezas y el carbón de la entrada se va agotado más rápidamente que el de salida.

Al principio de la operación existe un punto dentro de la columna en cual la concentración de impureza es igual a la de la salida. Esta zona se conoce como zona de transferencia de masa (ZTM). El resto del carbón se mantiene virgen. Conforme transcurre la operación parte del carbón se va agotando y la zona de transferencia de masa se va desplazando hacia salida. Finalmente llega un momento en el que la ZTM alcanza la salida. Un instante después, la concentración de impurezas del licor de salida empezará a aumentar y se considera que la columna está agotada.

El tiempo que tarde en suceder lo anterior depende de varios factores:

  • granlar1Flujo de licor (a mayor flujo más grande es la ZTM)
  • Tamaño de partícula de carbón; el carbón más pequeño da una longitud de ZTM más pequeña, sin embargo, la caída de presión será mayor.
  • Temperatura; debido a la disminución de la viscosidad, un aumento en la temperatura normalmente disminuye la altura de la ZTM.
  • Características del carbón utilizado (tamaño de poros) y del producto que se está purificando (coeficiente de difusividad).

Es importante recalcar que la capacidad de un Carbón Granular es la misma que la de uno Pulverizado, por lo tanto, la forma de determinar la facilidad de adsorber una determinada impureza es moliendo el carbón y corriendo en laboratorio Isotermas de Freundlich.

Para obtener los parámetros de diseño de una columna (diámetro, altura de carbón, flujo. etc.) es necesario efectuar pruebas piloto. Una forma sencilla de realizar estas pruebas es usando varias columnas en serie de 3 ½ ” a 4″ de diámetro.

A manera de guía general, podemos decir que la relación de altura de carbón entre el diámetro de las columnas oscila entre 2 a 1; y 5 a 1 y el flujo medido como el número de volúmenes de cama de licor que pasan por el carbón en una hora (VCH) oscila entre:

  • Decoloración 0.2- 0.6
  • Deodorización 1.0-2.0
  • Tratamiento 1.0- 4.0

Existen dos variantes de sistema para carbón granular:

  • Sistema de lecho móvil.
  • Sistema de lecho fijo.

SISTEMA DE LECHO MÓVIL

En el sistema de lecho móvil, el licor fluye en forma ascendente y periódicamente se extrae de la columna una porción del carbón, la cual es reemplazada por carbón virgen o regenerado por la parte superior de la columna.

Este arreglo es más eficiente y proporciona una operación continua, sin embargo tiene algunas desventajas, por ejemplo:

El licor debe estar libre de cualquier sólido suspendido, ya que en caso contrario la cama de carbón actuará como filtro ocasionando presurización.

El flujo debe ser estrictamente controlado Ya que en caso de haber variaciones Importantes, la cama de carbón podría fluidizarse y el licor arrastrar carbón.

SISTEMA DE LECHO FIJO

En este sistema el flujo es descendente, el carbón se va agotando paulatinamente de arriba hacia abajo y cuando la concentración a la salida es mayor a la máxima permitida, la columna se saca de operación y el carbón es regenerado completamente. Este arreglo es menos eficiente ya que cuando se saca de operación la columna, parte del carbón todavía tiene un cierto grado de actividad, pero tiene la ventaja de ser más versátil ya que si el licor llegara con sólidos suspendidos que quedarán atrapados en la cama del carbón, Se suspende la operación y se retrolava sin ningún problema.

Además si el flujo aumentara considerablemente no se presentaría ningún problema. Una variación de este arreglo para hacerlo más eficiente y agotar mejor el carbón consiste en usar dos columnas en serie, cuando la primer columna se agota la No.2 se convierte en 1 y una columna recién regenerada entra al sistema como 2ª columna.

En los sistemas de lecho fijo es necesario dejar siempre un espacio equivalente al 40-50% de la altura del carbón como espacio libre y disponible para retrolavar la cama de carbón.

Al retrolavar debe usarse un flujo tal que permita expandir la cama entre un 20% y un 30%.

CARBONES PULVERIZADOS

Cuando se utiliza carbón en polvo, éste, es agregado al producto a purificar en un tanque con suficiente agitación para mantener una suspensión homogénea, después de dar un tiempo de contacto adecuado, el carbón es removido por sedimentación o filtración.

En este último caso es recomendable el uso de un filtro ayuda, para obtener una filtración más eficiente. De ser posible es recomendable tener un tanque pequeño en el cual se prepare una suspensión del carbón activado (con agua o con un líquido limpio) y se permita que el polvo se humecte perfectamente.

Esta suspensión es posteriormente agregada al tanque de tratamiento.

granular2_ingLa operación con carbón pulverizado tiene la ventaja de ser más versátil, ya que puede modificarse la dosis de acuerdo a la calidad de líquido que se está purificando, amortiguando así las variaciones del proceso.

Además el equipo que se requiere es muy sencillo y convencional, por lo tanto la inversión requerida no es alta.

El rango de dosis puede ser determinado usando las isotermas de Freundlich antes descritas. En términos generales podemos decir que la dosis de carbón, en la mayoría de las aplicaciones es menor al 2%.

En algunas ocasiones la Isoterma para una aplicación muestra una pendiente muy pronunciada, lo que quiere decir que para alcanzar altos niveles de purificación se requiere de altas dosis de carbón activado. En estos casos una opción para mejorar el aprovechamiento del carbón y reducir la dosis es hacer un doble contacto a contracorriente. Este proceso consiste en dar un primer tratamiento con carbón activado “usado una vez”. El licor obtenido es nuevamente tratado, pero ahora un carbón virgen. El licor final será de una mayor calidad que el obtenido con un solo contacto.

El carbón que se colecta de esta segunda filtración es precisamente el que se vuelve a usar en el primer tratamiento.

granular3El resultado del doble contacto es un ahorro importante de carbon, éste ahorro puede llegar a niveles del 50% ó más. Sin embargo, antes de tomar una decisión hay que tomar en cuenta que se requiere más equipo y mano de obra. Una aproximación al doble contacto consiste en separar algún filtro de los usados para filtrar el licor con carbón, y en lugar de tirar la torta y lavarlo, usarlo para recircular el licor sin tratar, antes de enviarlo a los tanques de tratamiento con carbón. Este doble contacto aunque no es tan eficiente como el anterior, tiene la ventaja de no requerir equipo adicional.