El documento describe el proceso de adsorción, donde uno o más componentes de un gas o líquido se adsorben en la superficie de un sólido. Explica que en los procesos comerciales el adsorbente suele tener forma de partículas pequeñas en un lecho fijo por donde pasa el fluido y las partículas adsorben sus componentes. También cubre las propiedades de los adsorbentes, las relaciones de equilibrio, el diseño de columnas de adsorción y la curva de avance.

1. ADSORCION
En los procesos de adsorción, uno o más componentes de una corriente de gas o de líquido
seadsorben en la superficie de un sólido y se lleva a cabo una separación. En los procesos
comerciales,el adsorbente generalmente tiene la forma de partículas pequeñas en un lecho
fijo. El fluido se hacepasar por el lecho y las partículas sólidas adsorben componentes del
fluido. Cuando el lecho está casisaturado, el flujo se detiene y el lecho se regenera
térmicamente o por otros métodos, de modo queocurre una deserción. Así se recupera el
material adsorbido (adsorbato) y el adsorbente sólido quedalisto para otro ciclo de
adsorción.
Propiedades físicas de los adsorbentes
Se han desarrollado muchos adsorbentes para una amplia gama de separaciones. Por lo
común, losadsorbentes tienen forma de pelotitas, pequeñas cuentas o gránulos cuyo
tamaño va de cerca de0.1 mm a 12 mm, y las partículas más grandes se usan en los lechos
empacados. Una partícula deadsorbente tiene una estructura muy porosa, con numerosos
poros muy finos, cuyo volumen alcanzahasta el 50% del volumen total de la partícula. La
adsorción suele ocurrir como una monocapa sobrela superficie de los poros, pero a veces se
forman varias capas. La adsorción física, o de Van derWaals, por lo general sucede entre las
moléculas adsorbidas y la superficie interna sólida del poro,y es fácilmente reversible.
El proceso de adsorción global consta de una serie de pasos. Cuando el fluido pasa
alrededor dela partícula en un lecho fijo, el soluto primero se difunde desde el volumen del
fluido hacia toda lasuperficie exterior de la partícula. Luego, el soluto se difunde hacia el
interior del poro hasta la superficiedel mismo. Por último, el soluto se adsorbe sobre la
superficie. Así, el proceso de adsorción global esuna serie de pasos.
Relaciones de equilibrio para adsorbentes
El equilibrio entre la concentración de un soluto en la fase fluida y su concentración en el
sólido separece un poco a la solubilidad en equilibrio de un gas en un líquido. Los datos se
grafican para darisotermas de adsorción, como se muestra en la figura 12.1-1. La
concentración en la fase sólida seexpresa como q, en kg de adsorbato(soluto)/kg de
adsorbente(sólido), y en la fase fluida (gaseosao líquida) como c, en kg de adsorbato/m3 de
fluido.
Los datos que siguen una ley lineal se pueden expresar mediante una ecuación parecida a la
ley de Henry.

2. Donde K es una constante determinada experimentalmente, en m3/kg de adsorbente. Esta
isotermalineal no es común, pero en la región diluida se puede usar para aproximar los
datos de muchossistemas.
La ecuación de la isoterma de Freundlich, que es empírica, a menudo sirve para aproximar
los datospara muchos sistemas de adsorción físicos y es particularmente útil para líquidos.
Donde K y n son constantes y se -determinan experimentalmente. En una gráfica log-log de
q enfunción de c, la pendiente es el exponente adimensional n. Las dimensiones de K
dependen del valorde n. Esta ecuación a veces se usa para correlacionar datos para
hidrocarburos gaseosos en carbón activado.
La isoterma de Langmuir tiene una base teórica y está dada por la siguiente ecuacion, donde
qoyK son constantes empíricas:
Donde qoes una constante, en kg de adsorbato/kg de sólido, y K es una constante, en
kg/m3. Laecuación se dedujo suponiendo un número fijo de sitios activos disponibles para la
adsorción, quesólo se forma una monocapa y que la adsorción es reversible y alcanza una
condición de equilibrio.
Cuando se grafica llq en función de l/c, la pendiente es K/q, y la intersección es llq.En casi
todos los sistemas de adsorción, a medida que aumenta la temperatura la cantidad
adsorbidapor el adsorbente va disminuyendo con rapidez, lo cual es útil porque la adsorción
normalmente se hacea la temperatura ambiente y la deserción se puede efectuar
aumentando la temperatura.

3. ADSORCIÓN POR LOTES
La adsorción por lotes se suele usar para adsorber solutos de disoluciones líquidas cuando
lascantidades tratadas son pequeñas, como en la industria farmacéutica y en otras. Al igual
que enmuchos otros procesos, se necesita una relación de equilibrio como las isotermas de
Freundlich ode Langmuir y un balance de materia. La concentración inicial de la
alimentación es cF y laconcentración final en equilibrio es c. Del mismo modo, la
concentración del soluto adsorbido en elsólido es qFy el valor final en equilibrio es q. El
balance de materia sobre el adsorbato es
Donde M es la cantidad de adsorbente, en kg, y S es el volumen de la solución de
alimentación, en m3.
Al graficar la variable q de la ecuación en función de c, el resultado es una línea recta. Sise
traza la isoterma de equilibrio en la misma gráfica, la intersección de ambas líneas da los
valoresfinales en equilibrio de q y c.
DISEÑO DE COLUMNAS DE ADSORCIÓN DE LECHO FIJO
Un método muy usado para la adsorción de solutos de líquidos o gases emplea un lecho fijo
departículas granulares. El fluido que se va a tratar se hace descender a través del lecho
empacado auna tasa de flujo constante. En el proceso de lecho fijo son importantes las
resistenciasa la transferencia de masa, y el proceso se lleva a cabo en estado no
estacionario. La eficiencia delproceso depende de la dinámica global del sistema, y no sólo
de las consideraciones de equilibrio.

4. Las concentraciones del soluto en la fase fluiday en la fase adsorbente sólida cambian con el
tiempoy también con la posición en el lecho fijo conforme prosigue la adsorción. En la
entrada del lecho sesupone que el sólido no tiene soluto al principio del proceso; a medida
que el fluido entra en contactocon la entrada del lecho, se realiza la mayor parte de la
transferencia de masa y de la adsorción. Cuandoel fluido pasa a través del lecho, su
concentración va disminuyendo muy rápidamente con la distanciahasta llegar a cero mucho
antes del final del lecho. El perfil de concentración al principio, en el tiempotl, se muestra en
la figura 12.3-la, donde la relación de concentraciones c/c, se gratica en función dela
longitud del lecho. La concentración del fluido coes la de la alimentación y c es la
concentración delfluido en un punto del lecho.
Después de cierto tiempo, el sólido que se encuentra cerca de la entrada de la torre está
casisaturado, y la mayor parte de la transferencia de masa y de la adsorción sucede ahora
en un puntoligeramente más lejano a la entrada. En un tiempo posterior t2, el perfil o la
zona de transferencia demasa donde ocurre la mayor parte del cambio de la concentración,
se ha desplazado más lejos dentro del lecho. Los perfiles de concentración que se muestran
corresponden a la fase fluida. Los perfilesde concentración para la concentración de
adsorbatos en el sólido son similares. En la entrada, el sólidoesta casi saturado y su
concentración permanece casi constante hasta la zona de transferencia de masa,donde
desciende rápidamente hasta casi cero. La línea punteada correspondiente al tiempo t3
muestrala concentración en la fase fluida en equilibrio con el sólido. La diferencia de las
concentraciones es la fuerza que impulsa la transferencia de masa.

5. Concentración de la curva de avance
Como se ve en la figura 12.3-la, la mayor parte de la adsorción ocurre en cualquier
momento enuna zona relativamente angosta de adsorción o de transferencia de masa.
Mientras la solucióncontinúa fluyendo, esta zona de transferencia de masa, que tiene forma
de S, va bajando por lacolumna. En un tiempo dado t3 en la figura 12.3-la, cuando casi la
mitad del lecho está saturadode soluto, la concentración de salida sigue siendo
aproximadamente cero, como se observa en lafigura 12.3-lb. Esta concentración de salida
sigue siendo casi cero hasta que la zona de transferenciade masa empieza a llegar a la salida
de la torre en el tiempo t. Entonces, la concentración de salidaempieza a elevarse, y en t5
llega a cb, que se llama punto de ruptura.
Después de que se alcanza el punto de ruptura, la concentración c se eleva muy
rápidamente hastael punto Cd, que es el final de la curva de avance donde el lecho pierde
su efectividad. La concentraciónde punto de ruptura representa el máximo que se puede
descartar y se suele tomar como 0.01 hasta0.05 para cb/cq. El valor cd/co, se toma como el
punto donde cd es aproximadamente igual a c.
En una zona angosta de transferencia de masa, la curva de avance es muy marcada y la
mayor partede la capacidad del lecho se ha usado ene1 punto de ruptura. Esto permite un
uso eficiente del adsorbentey disminuye el costo de energía para la regeneración.