El documento describe la modelación y simulación de la adsorción de sulfuro de hidrógeno de biogás con lodos de depuración tratados. Se compararon los modelos de Bohart-Adams y línea de fuerza motriz para describir la dinámica de adsorción y se resolvieron analítica y numéricamente. Los resultados experimentales se ajustaron a las isotermas de Freundlich y Langmuir. El modelo de Bohart-Adams puede usarse como aproximación para determinar el tiempo de penetración, mientras que la simulación dinámica con Aspen

1. Operaciones Unitarias II
Modelado y simulación de la adsorción de
sulfuro de hidrogeno de biogás con lodos de
depuración tratados
Hernandez Lopez Nixe Adriana
20 de Abril de 2017

2. Modeling and simulation of the adsorption of biogas
hydrogen sulfide on treated sewage-sludge
F.J. Gutiérrez Ortiz, P.G. Aguilera, P. Ollero
Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad de Sevilla
Revista:
Chemical Engineering Journal
Vol. 253, págs. 305-315
Recibido el 4 de abril de 2014
Aceptado el 30 abril 2014
Disponible en línea 21 Mayo 2014

3. Índice
◦Introducción
◦Modelado
◦Experimentación
◦Resultados
◦Conclusiones

4. Introducción

5. El biogás de vertedero es un producto de la degradación anaeróbica de los sustratos
orgánicos, y la conversión de la energía química contenida en el biogás, que es rico en CH4.
Un compuesto que siempre esta presente en el biogás, es el Sulfuro de Hidrógeno (H2S), el
cual requiere ser eliminado para la mayoría de sus aplicaciones industriales, tal es el caso en la
producción de electricidad.
La desulfuración de combustible gaseoso se puede hacer sobre diversos adsorbentes, uno de
ellos son los lodos de depuración de aguas residuales.

6. Modelado

7. ◦ Modelo de Bohart y Adams fue seleccionado para compararlo con la
aproximación lineal-fuerza motriz (LDF), resuelta analíticamente por la ecuación
de Klinkenberg y numéricamente con la ayuda de adsorción de Aspen,
dependiendo de la isoterma de adsorción.

8. Curvas de crecimiento e isotermas de adsorción
Tomando en cuenta que los cambios en la velocidad del fluido son despreciables
Ecuación diferencial:
◦ C: es la concentración de H2S en fase gaseosa
◦ u: es la velocidad intersticial del gas
◦ 𝜖: fracción de espacio vacío del lecho
◦ q: concentración de H2S (o carga) en fase sólida
◦ t: tiempo
◦ z: distancia desde el lecho de entrada.

9. ◦ Bohart y Adams propusieron un modelo para la adsorción de un componente que ha sido
ampliamente utilizado para describir la dinámica de adsorción cuando se produce la reacción
química.
◦ Ya que describen la adsorción mediante una ecuación de velocidad "cuasi-química“, la tasa
de adsorción o de superficie (ley cuasiquímica) es la siguiente:
◦ Así, la ecuación (1) puede ser analíticamente resuelto y escrito en una forma lineal
simplificada :

10. Aproximación de la línea de fuerza motriz (LDF)
◦ La aproximación lineal-fuerza motriz (LDF) toma un enfoque de tal manera que
una resistencia global agrupada describe la transferencia de masa y donde la
partícula adsorbente se trata como una fase homogénea en la que tiene lugar la
difusión con una difusividad efectiva constante; Se supone que la cinética de
reacción es mucho más rápida que el transporte masivo. Por lo tanto, la tasa de
transferencia de masa se representa como proporcional a la desviación del
equilibrio:
◦ Donde Ka es el coeficiente de transferencia de masa global

11. Solución analítica
Solución numérica
◦ El modelo dinámico (Eq. (1)) con el enfoque de LDF (Eq. (7)) y una isoterma no lineal
se pueden resolver solamente usando un método numérico. Por lo tanto, se
implementaron y se resolvieron mediante el software comercial Aspen Adsorption.

12. Experimentación

13. ◦ Los ensayos de adsorción se llevaron a cabo
usando una columna cilíndrica de lecho fijo
donde se dispuso el adsorbente.
◦ Se introdujo en el lecho un biogás simulado
compuesto por una mezcla de CH4 (60% en
volumen), H2S (2000 ppm) y CO2 con una
velocidad superficial de 2.6 cm /s y
temperatura ambiente de 25 ° C.

14. ◦ El tratamiento térmico se realizó en un horno tubular con diferentes temperaturas
finales (500, 700 y 900ºC), utilizando un tiempo de retención de 30 min y una
velocidad de calentamiento de 5ºC / min.
◦ La caracterización física y química de los adsorbentes se realizó mediante
espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente (ICP-
OES), difracción de rayos X (XRD), espectroscopia de fotoelectrones de rayos X
(XPS), microscopía electrónica de barrido (SEM).
◦ Además, se obtuvieron las isotermas de adsorción de H2S de uno de los
adsorbentes (LG700PA) a temperatura ambiente (25ºC).

15. Resultados

16. Resultados del enfoque de Bohart-Adams
◦ Se representaron gráficamente ln (C0 / Cb-1) en función del tiempo utilizando datos
experimentales con uno de los adsorbentes seleccionados, a una altura de lecho de 70 mm y
una concentración de entrada de H2S de 2036 ppm.
Tiempo (minutos)

17. ◦ Curvas experimentales y basadas en modelos del adsorbente LL900A:
L: 7cm, ajuste experimental
L: 7cm, modelo B-A
L: 7cm, experimento 1
L: 7cm, experimento 2
L: 11cm, modelo B-A
L:11cm, experimental
Tiempo (min)
ConcentracióndeH2S(ppm)

18. ◦ Seleccionando la isoterma de Freundlich y Langmuir, los parámetros mencionados
anteriormente se ajustaron adicionalmente utilizando los datos experimentales.
◦ El siguiente grafico muestra la isoterma experimental y la isoterma obtenida con los
parámetros calculados por regresión y calculados por simulación.
Adecuando las isotermas de adsorción

19. Experimental
Calculado
Modelado
Concentración (kmol/m3)
Capacidaddeadsorción(kmol/kg)

20. ◦ Capacidad de adsorción de un adsorbente a diferentes concentraciones de H2S.
Concentración (mol H2S/m3) Capacidad de adsorción(mol/kg)
8.8393 𝑥10−2
4.7545 𝑥10−2
2.5446 𝑥10−2
7.2321 𝑥10−3

21. ◦ Ajuste de los datos experimentales a una isoterma de Freundlich para el
adsorbente LG700PA.

22. ◦ Ajuste de los datos experimentales a una isoterma de Langmuir para el adsorbente
LG700PA.

23. ◦ Resultados del modelo LDF
◦ Curvas experimentales y simuladas para el adsorbente LG700PA con la solución de
Klinkenberg a una altura de lecho de 100 mm y cuatro concentraciones de H2S.
Tiempo (min)
ConcentracióndeH2S(ppm)
Co = 1980 ppm; Klinkenberg.
Co = 1980 ppm; experimental
Co = 1065 ppm; Klinkenberg.
Co = 1065 ppm; experimental
Co = 570 ppm; Klinkenberg.
Co = 570 ppm; experimental
Co = 162 ppm; Klinkenberg.
Co = 162 ppm; experimental

24. ◦ Curvas experimentales y de aspen-adsorción simuladas para el adsorbente LG700PA
a cuatro concentraciones de H2S.
ConcentracióndeH2S(ppm)
Tiempo (min)
Co=1980 ppm; Aspen
Co=1980 ppm; Aspen Sim **
Co=1980 ppm; Exp.
Co=1065 ppm; Aspen
Co=1065 ppm; Aspen **
Co=1065 ppm, Exp.
Co=570 ppm; Aspen **
Co=570 ppm; Exp
Co=162 ppm; Aspen
Co=162 ppm; Aspen **
Co=162 ppm; Exp.

25. Conclusiones

26. ◦ Para el diseño de un adsorbedor de lecho fijo, un modelo dinámico de adsorción
ayuda a calcular la altura requerida, la vida útil de funcionamiento y la capacidad
de adsorción del lecho.
◦ La curva de avance fue más pronunciada a mayores concentraciones de H2S, pero
su forma apenas cambió con la altura del lecho y se movió casi paralela.
◦ El modelo de Bohart-Adams podría utilizarse como una aproximación aceptable
para determinar el tiempo de penetración.

27. ◦ Es necesario obtener mejores soluciones para las curvas de ruptura mediante las rigurosas
ecuaciones modelo que toman en cuenta una resistencia a la isoterma y a la transferencia
de masa.
◦ La solución analítica requiere una isoterma lineal que no sea realista.
◦ La simulación dinámica del proceso de adsorción se llevó a cabo con la ayuda de Aspen
Adsorcion V7.1
◦ La isoterma de Freundlich se ajustó bastante bien a los datos experimentales.

28. Gracias por su atención