VARIOS AUTORES
Seminario
Operaciones Unitarias Ic
Determinación de parámetros operativos en
un lecho de resina de intercambio iónico.
Comisión: Altamirano Leonel
Badino Marcos
Frutos José
Pierpauli Karina
Tozzi Emilio
Weidmann Pablo
1.Introducción
Usos
de los lechos de resina
El
intercambio iónico es un proceso de tratamiento de agua que permite remover los
iones, mediante resinas que los retienen temporariamente y luego los liberan a
una solución regenerante. Puede usarse como etapa final del tratamiento pues
eliminan eficientemente concentraciones bajas menores a 500 ppm de sólidos
disueltos totales.
Características
que debe tener una resina para usos industriales
Solubilidad:
Debe ser insoluble bajo condiciones de operación normales.
Tamaño
de partícula: Debe tener forma de gránulos esféricos con máxima homogeneidad y
de dimensiones uniformes para que la pérdida de carga del fluido en el lecho
sea aceptable. Los tamaños comunes varían entre 10 a 50 mallas ASTM (2 mm a 297m)
Resistencia
a la fractura: La expansión y contracción del lecho durante el intercambio y la
regeneración no deben romper la resina. El diseño del equipo debe permitir la
expansión del lecho para evitar excesivos esfuerzos o abrasión de la resina.
Modos
de operación
Método
a cocorriente: La circulación de fluido durante el servicio y durante la
regeneración ocurre en un mismo sentido. Este método es mas sencillo y
económico pero requiere mas gasto de reactivos y produce mas desechos que el de
contracorriente. Esto se debe a que durante la regeneración los iones hidrógeno
en caso de una resina catiónica desplazan el calcio y magnesio y sodio desde la
entrada del lecho hacia la salida y se requieren excesivas cantidades de
regenerante para eliminar los iones que de otro modo se acumularían cerca de la
salida del lecho y en el siguiente ciclo de operación se producirían fugas de
iones residuales.
Método
a contracorriente: Con este método luego de la regeneración los iones
residuales están al principio del lecho y al final hay iones hidrógeno, sin
posibilidades de fugas.
Durante
la regeneración se efectúa un lavado y una expansión del lecho por fluidización
que permite la eliminación de material suspendido como impurezas y partículas
de resina rotas. El equipo debe estar bien diseñado para evitar pérdida de
partículas de resina por lo cual deben determinarse los parámetros hidráulicos
del mismo.
Mecanismo
de la fluidización
Idealmente
los lechos se comportan en forma reversible y la curva de log DP vs. v esta
representada por dos rectas.
La
mayoría de los materiales presentan irregularidades que los alejan de este
comportamiento, y el lecho se denomina levemente canalizado.
A
bajas velocidad del fluido las partículas del lecho permanecen estacionarias. A
medida que aumenta la velocidad aumenta la caída de presión a través del lecho,
hasta que la misma iguala a la fuerza de gravedad y las partículas comienzan a
moverse. El lecho se expansiona lentamente, manteniéndose las partículas en
contacto, hasta alcanzar un punto de porosidad máxima. Luego las partículas se
separan y comienza la verdadera fluidización (fluidización discontinua o lecho
hirviente). En esta etapa el movimiento de las partículas es azaroso, cada vez
más intenso y se forman torbellinos.
La
velocidad del fluido entre las partículas es mucho mayor que esta fuera del
lecho, por lo tanto las partículas que abandonan el mismo retornan; aunque en
una fluidización intensa las partículas pequeñas son transportadas.
A
mayores velocidades la porosidad aumenta y el arrastre llega a ser apreciable y
finalmente completo.
Esta
fluidización de un sólido en un líquido se denomina particulada debido a que
las partículas se mueven individualmente.
El
comportamiento exacto del lecho fluidizado depende del diámetro de partícula y
de la naturaleza del fluido.
2.Caracterización de la Resina
Medición
del diámetro de partícula
La
resina suministrada se encontraba con un porcentaje de humedad que nos
imposibilitó realizar un tamizado para determinar el diámetro de las mismas.
Tampoco era recomendable secarlas porque una vez hinchadas, cambia su
estructura y un secado ocasionaría un debilitamiento y posterior ruptura. Como
consecuencia de esto se utilizó un método óptico.
Se
tomaron tres muestras al azar de la resina suministrada y otras tres de la
resina húmeda. Las muestras fueron colocadas sobre portaobjetos y se procedió a
determinar el diámetro de ocho partículas de cada muestra mediante una lupa
marca PROJECTINA con pantalla de proyección en el Instituto de Tecnología
Celulósica. Para el objetivo de 5x y ocular de 40x utilizados corresponde una
constante de 24,39 micrones/mm de pantalla.
Distribución
de tamaño de las partículas.
Con
los diámetros obtenidos se graficó la distribución de tamaños de las partículas
de la resina suministrada y la resina húmeda.
Rango
de tamaños
|
|
Dpmedio(m) |
Desv Std (m) |
Dp
menor (m) |
Dp
mayor (m) |
|
Resina
suministrada |
564,22 |
138,4 |
219,51 |
829,26 |
|
Resina
húmeda |
604,26 |
120,98 |
219,51 |
682,92 |
Dada
la distribución uniforme de tamaño no fue necesario recurrir a una elutriación.
Tamaño
efectivo
Se
calculó la malla que retiene el 50% de la resina:
|
|
abertura malla mm |
Malla Tyler Nº |
|
Resina
suministrada |
0,589 |
28 |
|
Resina
húmeda |
0,589 |
28 |
Coeficiente
de uniformidad
Se
define como el cociente entre la malla que retiene al 40% y la que retiene el
90%.
|
|
malla ret 40%(mm) |
Malla ret 90%(mm) |
Coef. de uniformidad |
|
Resina
suministrada |
0,589 |
0,208 |
2,83 |
|
Resina
húmeda |
0,589 |
0,208 |
2,83 |
Densidad
aparente
Se
obtuvo por pesada de una cantidad de resina suministrada y medición del volumen
total a granel de la misma.
Dens
aparente = 822,09065 Kg/m3 ?
Densidad
de la resina
Se
midió la velocidad terminal de partículas de la resina de diámetros conocidos y
se calculó la densidad aplicando la ecuación:
Vt=
[ 4 g (rp-r)Dpn-1rn-1/(3 b mn)]
rp(promedio)
= 1272,27 Kg/m3
Porciento
de incremento de volumen
Se
calcula como = 100 * (Vol. esfera resina hinchada - Vol. esf. resina
suministrada)/Vol. esf. resina suministrada
%
Incr. Vol. = 11,96 %
3.Determinación de parámetros hidráulicos
Descripción
del equipo utilizado
Se
utilizó una columna de vidrio de 0,5 m de largo y 63 mm de diámetro interno. El
lecho es soportado por un difusor de malla metálica Tyler 60. Se colocaron
salidas laterales para toma de presión antes y después del lecho conectadas a
un manómetro de tubo en U.
Se
adosó a la columna una escala graduada en mm
Variables
medidas
Caída
de presión en el lecho: Se midió mediante la deflexión del manómetro
Altura
del lecho: Se midió directamente en la escala graduada
Caudal:
Se calculó mediante medición del volumen con probetas graduadas y cronómetro.
Ecuación
del manómetro
DP=Dh*g*(rc-rw)
Dh=Deflexión
del manómetro de dos fluidos
g=
Aceleración de la gravedad
rc=Densidad
del fluido manométrico
rw=Densidad
del agua
Ecuación
de la porosidad
e=
1- Ls/L
Ls
= Ms/(rs*A)
Ls=
Altura del sólido a porosidad nula (hipotética)
L=
Altura del lecho
Ms=
Masa del sólido
A=Area
del lecho
rs=densidad
del sólido
Lecho
estático
Este
modo de trabajo corresponde a la etapa de Intercambio
Ver
mediciones y gráficas
Fluidización
del lecho
Este
modo de trabajo corresponde a la etapa de regeneración
Parámetros obtenidos de la
experiencia
e mínimo 0,35
Q mínimo. Entre
2E-06 m3/s y 3,9E-06 m3/s
V.mínimo Entre
6,416E-4 m/s y 1,251E-3 m/s
Q transp.
1,055E-4 m3/s
V.transporte
0,033848 m/s
3.2. Comparación de los datos experimentales con
correlaciones
Porosidad
mínima
Dp
= 604,26225
|
|
e
mínimo |
Ecuación |
error% |
|
experimental |
0,35 |
|
|
|
McCabe
(pág 181) |
0,365 |
emin=1-0,356(log Dp(m)-1) |
4,5 |
Velocidad
mínima de fluidización
|
|
Vmín(m/s) |
Ecuación |
error% |
|
experimental |
(6,416E-4 m/s a 1,251E-3 m/s) |
|
|
|
Kozeny Carman |
4,288E-4 m/s |
Vmin = g (rp-r)Dp2
emin3/(150*m*(1-emin )) |
47,8 |
|
Perry 5ª p 5-54 ec (5-177) |
7,2307E-4 m/s |
Vmin= (688*(r*(rp-r)0,94*Dp1,82)/r |
12 |
Velocidad
de transporte
|
|
V.de
transporte |
Ecuación |
error% |
|
experimental |
0,0338m/s |
|
|
|
Kozeny Carman |
0,1038m/s |
Vtransp=
150/18*(1-emin)/emin3*Vmin |
206 |
|
Richardson |
0,00157m/s |
Vtransp=V. e n |
95 |
Parámetros
de Richardson
n
= 4,65
Rep
= 0,007614304< 0,2
V=
1,2601E-05
4.Conclusiones
Se
observa que la resina cumple con las características deseables en cuanto a
uniformidad de forma y tamaño.
Durante
las experiencias se obtuvieron las gráficas correspondientes a un lecho sin
canalización apreciable del sólido (Leva p22)
Las
correlaciones predicen aceptablemente algunos parámetros como porosidad o
V.mín. y otros como el V.transp. no son tan cercanos.
5.Bibliografía
PERRY, J.H, “Chemical Engineers Handbook”, 5ª ed, Mc Graw Hill, New York,
1973.
McCABE, W.L. SMITH, J.C. HARRIOT, P.,
“Operaciones Básicas de Ingeniería Química”, 4ª ed, McGraw Hill, Madrid, 1991
LEVA, M. “Fluidization”, Mc Graw Hill, New York, 1959.
HAIRSTON, D. “Ion Exchange resins”, Chem Eng, 101, Nº6, (1994)
De SILVA, F., “The Ion Exchange Deal”, Chem Eng, 101, Nº7 (1994)
COULSON & RICHARDSON, “Chemical
Eng.”, 4ª de., Vol II, Pergamon
Press, 1991.