Se investigó teóricamente la capacidad del adsorbente sílica gel para remover compuestos orgánicos volátiles de aire en condiciones dinámicas utilizando una columna desecante de lecho empacado.

1. UNIVERSIDAD DE SONORA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y
METALÚRGICA
Exposición semestral
Título: “Remoción de partículas orgánicas volátiles de una corriente de aire utilizando una columna
desecante”
Estudiante: Del Rosario Lecaros, Xaulo Xavier
Materia: Operaciones Unitarias II
Semestre: VIII
Docente: Ing. Marco A. Núñez Esquer
Fecha: 25 de abril del 2019

2. Título original:
“The removal of volátil organic compounds from supply air using a desiccant column –
a theoretical study”
Autores:
Matizawa Ncube, Yuehong Su
Department of Built Environment, University of Nottingham, Second Floor
Sustainable Research Building, Nottingham NG7 2 RD, UK
Revista:
Gulf Organisation for Research and Development
“International journal of sustainable built environment”
Volumen I, año 2012, pp. 259-268

3. ÍNDICE
• INTRODUCCIÓN
• EL PROCESO DE ADSORCIÓN
• DISCUSIONES Y RESULTADOS
• CONCLUSIONES

4. INTRODUCCIÓN

5. Estudios han demostrado que la principal causa de enfermedades
respiratorias en el Reino Unido es la mala calidad del aire en los interiores de
casas, oficinas, ambientes cerrados en general. Uno de los contaminantes más
nocivos que puede contener éste aire son los compuestos orgánicos volátiles
(VOC), dentro del cual se encuentran los alcanos, compuestos clorados,
alcoholes, aldehídos, cetonas, ésteres, éteres, compuestos aromáticos, entre
otros.
Éstos compuestos causan desde irritación ocular y nasal hasta enfermedades
crónicas como el asma.

6. Un compuesto de especial consideración es el benceno, debido a que es
cancerígeno según se ha demostrado en diversos estudios. Éste compuesto está
presente en el aire exterior debido a las emisiones de los autos que funcionan a
diésel.
Métodos convencionales para su remoción, tales como oxidación catalítica,
ionización del aire, condensación y oxidación con ozono, no han sido eficaces
del todo ya que aún el benceno permanece presente en pequeñas
concentraciones.
Por consiguiente, los estudios más recientes se han enfocado en la adsorción
utilizando materiales desecantes, tales como sílica gel, zeolitas, carbón
activado y alúminas.

7. Los materiales anteriormente mencionados son utilizados por dos razones principales:
• La adsorción ha mostrado los mejores resultados en la remoción de VOCs.
• El uso de desecantes para la deshumidificación y la remoción de contaminantes
(coadsorción) es un proceso eficiente energéticamente ya que elimina la necesidad de
enfriar el aire hasta el punto de rocío para remover la humedad presente en el
mismo.

8. Los objetivos principales del estudio son los siguientes:
• Desarrollar un modelo que permita la predicción del perfil de
adsorción de determinados pares VOC-adsorbente.
• Usar el modelo obtenido para investigar el efecto de los parámetros de
diseño, operación y propiedades en los perfiles de adsorción del
benceno en sílica gel.

9. EL PROCESO DE ADSORCIÓN

10. Estudios previos han demostrado que, a pesar de que existe una competencia
entre las moléculas y las VOCs por los sitios de adsorción en la superficie del
adsorbente, esto no afecta la capacidad de remoción de este tanto para la
humedad como para la VOC.
La adsorción de VOC tiene una tendencia lineal y ésta se puede expresar
mediante la ley de Henry:
q = Kc
Donde la constante K es usada para demostrar la capacidad de remoción de
VOC de cualquier adsorbente.

11. El sistema utilizado para la experiencia es el siguiente:
Fig. 1. Columna desecante con deshumidificador

12. Teoría de adsorción en lecho fijo
Fig. 2. Frente de concentración de equilibrio estequiométrico para la adsorción
en lecho fijo

13. Obtención del modelo matemático
Tomando un elemento diferencial de la columna inicialmente libre de
partículas y variando ligeramente la concentración del adsorbato en el
adsorbente, realizando un balance de masa y aplicando la ecuación de
velocidad se obtiene:
El primer término se debe a la difusión axial de las partículas, mientras que lo
dos siguientes involucran una variación axial en la velocidad del fluido y el
último término representa la concentración promedio de soluto por unidad de
volumen de adsorbente.

14. La fuerza impulsora debido a la transferencia de masa viene dada por la siguiente
ecuación:
donde q* es la concentración de soluto en el adsorbente en equilibrio con la
concentración de soluto en la fase fluida, c. También c* es la concentración de soluto en
equilibrio con la concentración promedio en la fase sólida, 𝑞 y k es el coeficiente global
de transferencia de masa.
La constante K proviene de la isoterma de adsorción q = Kc.
El balance de masa del fluido viene dado por:

15. La ecuación de velocidad:
Donde Θ = c/co y Ψ= 𝑞/q y los parámetros de tiempo y longitud de lecho
adimensionales se definen como:
Una solución a las ecuaciones diferenciales anteriores fue planteada por Klinkenberg
en el año 1948, considerando los parámetros ζ y ξ, y se muestra a continuación:

16. La solución de Klinkenberg es precisa con un margen de 0.6% de error para valores de
x>2.0. También se puede modificar la solución si se considera el efecto del radio de las
partículas en las curvas de ruptura.
Se define el coeficiente global de transferencia de masa como 𝑘 = 15 𝐷
𝑅𝑝2 y entonces
La ecuación de Klinkenberg es utilizable solo en los casos en que el adsorbente esté
libre de partículas de adsorbato, lo cual no sucede en la práctica a menos que la
columna sea nueva. Por lo tanto, la ecuación ha sido modificada para el caso en el cual
el adsorbente no tenga una concentración inicial de VOC o adsorbato igual a 0.
Para lograr esto, se introduce un nuevo término, c*.

17. Se ha tomado en cuenta que el máximo valor de la función error es 1 (máx erf(X)=1), lo
cual ocurre cuando la frontera de concentración alcanza el final de la columna.
Así como también el mínimo valor de erf(X) es -1 y esto ocurre cuando la concentración
de salida, c, es igual a la concentración inicial, c*.
Un nuevo término (m) se añade a la ecuación inicial tal que la concentración de salida
del fluido en t=0 y erf(X)=-1 es igual a la concentración de equilibrio entre el
adsorbente y la corriente del fluido.
Similarmente, la concentración de salida en t=t y erf(X)=1, la concentración de salida
será igual a la concentración inicial en la fase gas, co.
Con éstas consideraciones, se obtiene la siguiente ecuación

18. Luego, m puede ser calculada fácilmente si se conoce la concentración inicial
adsorbida, c* o si la concentración de VOC inicial en la corriente de aire es conocida.
Para t=0 y c=c*, se obtiene:
Capacidad de adsorción e isotermas de adsorción
La capacidad de adsorción del adsorbato se define como la cantidad de masa adsorbida
por unidad de masa de adsorbente bajo condiciones de equilibrio.
Existen muchos autores que han planteado diversas ecuaciones para isotermas de
adsorción. En el presente estudio, se usó la ecuación propuesta por Dubinin-
Rabuskevish (1984):

19. Donde
A = Función de potencial termodinámico
W = Cantidad de vapor adsorbido por una partícula de carbón activado
Ps/p = presión relativa
Eo = Energía de adsorción característica. Depende del adsorbente y del fluido
El benceno fue usado como adsorbato de referencia para materiales de carbono
y para éste caso β = 1.

20. DISCUSIONES Y RESULTADOS

21. Efecto en la concentración inicial en la fase gas
Fig. 3. Efecto de la concentración inicial de benceno en la fase gas en la curva de
ruptura sobre partículas de silica gel de 4 x 6

22. Se utilizó como concentraciones iniciales 8 µg/m3, 7 µg/m3, 6 µg/m3 y 5 µg/m3, que son
concentraciones usuales de benceno en el aire exterior.
Lo más resaltante de la gráfica obtenida es que los resultados se ajustan con muy
buena precisión a una isoterma lineal (q=Kc, K = 5120 para el benceno sobre silica
gel). También se notó que, a menor concentración de entrada, mayor tiempo de
adsorción. Esto se explica mediante el hecho de que, a menos concentración de
entrada, el lecho tarda más tiempo en saturarse.

23. Efecto de la concentración inicial en el adsorbente
Fig. 4. Efecto de la concentración inicial en el adsorbente en la remoción de benceno
utilizando partículas de silica gel de 4 x 6

24. Se utilizaron como concentraciones iniciales de benceno en el adsorbente los siguientes
valores
Tabla N°1. Concentraciones iniciales de benceno en el adsorbente silica gel a 294 K
Lo que se puede deducir de la curva de ruptura obtenida es que el tiempo de adsorción
es prácticamente el mismo independientemente de la concentración inicial en el
adsorbente. También se observa que incremento en la pendiente conforme disminuye
la concentración inicial, lo que significa una mayor capacidad de remoción conforme
decrece la concentración inicial en el adsorbente.

25. Efecto de la temperatura del lecho
Fig. 5. Efecto de la temperatura en la adsorción de benceno en silica gel

26. De las curvas de ruptura obtenidas, se observa que los tiempos de ruptura y
tiempos totales de adsorción aumentan conforme aumenta la temperatura.
Esto se puede explicar debido a que, a mayores temperaturas, la adsorción es
gobernada por tres mecanismos:
1. La difusión de la VOC desde la fase gas hasta la superficie del adsorbente
2. El movimiento de las partículas dentro de los poros de la silica gel
3. La construcción y destrucción de la monocapa de benceno se acelera

27. Efecto de la longitud del lecho (z)
Fig. 6. Efecto de la longitud del lecho en la adsorción de benceno en silica gel

28. Se observa claramente que, a mayor longitud del lecho, el tiempo de
ruptura y el tiempo total de adsorción se incrementan. Esto se explica
fácilmente ya que la columna se satura más rápido cuando es más corta
que a una mayor distancia, tarda más en saturarse. El concepto de
frente de adsorción es muy útil para explicar éste hecho.

29. Efecto de cambiar la velocidad intersticial
Fig. 7. Efecto de cambiar la velocidad intersticial en la curva de ruptura en la
adsorción de benceno en silica gel

30. Para ésta prueba se utilizó un diámetro de 10 mm en las 4 pruebas, las cuales
fueron realizadas a 54, 27, 13.5 y 6.74 kg/min de flujo másico. Se observa que
variar la velocidad intersticial tiene una gran influencia en el tiempo de
ruptura, por ejemplo, doblando el flujo másico de 6.74 (v = 1.375 m/s) a 13 (v=
2.75 m/s) el tiempo de ruptura pasa de ser 50 min a 100 min
aproximadamente.
A una mayor velocidad intersticial, mayor flujo másico y por lo tanto un menor
tiempo de ruptura y tiempo total de saturación,, ya que ésta se lleva de una
manera más rápida que a una menor velocidad.

31. Efecto del diámetro de partícula
Fig. 8. Efecto del diámetro de partícula sobre el coeficiente global de transferencia de
masa (k)

32. A partir de la ecuación 𝑘 = 15 𝐷
𝑅𝑝2 , se observa que el radio de
partícula y el coeficiente k tienen una relación inversamente
proporcional, por lo que conviene utilizar radios relativamente
pequeñas para asegurar un buen coeficiente y una buena transferencia
entre ambas fases.

33. Efecto del coeficiente de afinidad (β) en la capacidad de adsorción del adsorbente para
varias razones de presión
Fig. 9. Efecto del coeficiente de afinidad (β) en la capacidad de adsorción del
adsorbente para varios razones de presión

34. Efecto del índice (n) en la capacidad de adsorción del adsorbente para varias razones
de presión
Fig. 9. Efecto del índice (n) en la capacidad de adsorción del adsorbente para varias
razones de presión

35. CONCLUSIONES

36. • Las pruebas han demostrado que la silica gel es un buen adsorbente de
compuestos orgánicos volátiles (VOC) para la remoción de éstos del aire de
interiores.
• El modelo matemático obtenido sirve para predecir los efectos de varios
parámetros en la remoción de VOC de aire de interiores utilizando una
columna de silica gel.
• La ecuación de D-R predice con mucha precisión la constante de equilibrio K
para cualquier combinación VOC-adsorbente dentro de determinado rango
de razones de presiones.
• Ésta investigación puede ser útil para predecir la remoción de VOC en
sistemas de aire acondicionado.

37. Fig. 10. Torre de adsorción. Laboratorio de Operaciones
Unitarias (LOU) UNI. Lima, Perú

38. GRACIAS POR SU ATENCIÓN