MODELAMIENTO Y SIMULACION DE UNA COLUMNA DE ADSORCION DE LECHO FIJO PARA LA REMOCION DE Cr (VI) DE SOLUCIONES ACUOSAS UTILIZANDO ASERRIN COMO ADSORBENTE”
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA PLAN DE TESIS “MODELAMIENTO Y SIMULACION DE UNA COLUMNA DE ADSORCION DE LECHO FIJO PARA LA REMOCION DE Cr (VI) DE SOLUCIONES ACUOSAS UTILIZANDO ASERRIN COMO ADSORBENTE” Plan de tesis Presentado por: BACH. CARDENAS SALAZAR SUSAN JOHANNA BACH. ORTEGA REVILLA JULIO CESAR Para optar por el Titulo de Ingenieros Químicos AREQUIPA-PERU 2014
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN
FACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA
PLAN DE TESIS
“MODELAMIENTO Y SIMULACION DE UNA COLUMNA DE ADSORCION DE LECHO FIJO PARA LA REMOCION DE Cr (VI) DE SOLUCIONES
ACUOSAS UTILIZANDO ASERRIN COMO ADSORBENTE”
Plan de tesis Presentado por:
BACH. CARDENAS SALAZAR SUSAN JOHANNA
BACH. ORTEGA REVILLA JULIO CESAR
Para optar por el Titulo de Ingenieros Químicos
AREQUIPA-PERU
2014
1. MODALIDAD DE GRADUACION
De acuerdo con el artículo 18 del reglamento de grados y títulos de la facultad de Ingeniería de Procesos de la Escuela Profesional de Ingeniería Química la modalidad seleccionada es la de Investigación.
2. TITULO DE LA INVESTIGACION
MODELAMIENTO Y SIMULACION DE UNA COLUMNA DE ADSORCION DE LECHO FIJO PARA LA REMOCION DE Cr (VI) DE SOLUCIONES ACUOSAS USANDO ASERRIN COMO ADSORBENTE.
3. RESPONSABLES DE LA INVESTIGACION
BACH. ORTEGA REVILLA, JULIO CESARBACH. CARDENAS SALAZAR, SUSAN JOHANNA
4. ANTECEDENTES
El contenido de metales pesados, como el cromo, en aguas residuales industriales es considerado un serio problema ambiental debido a sus efectos tóxicos. En particular la presencia de cromo tiene efectos nocivos sobre los seres vivos, es bioacumulable y afecta las funciones biológicas, principalmente el crecimiento [1].La concentración presente de Cr (VI) en las corrientes de efluentes industriales están en el rango de 50 a 200 mg/l [2].el limite permisible de Cr (VI) en agua potable es de 0.05mg/l[2].Está probado que la adsorción es un método efectivo tanto eficientemente y económicamente para la remoción de Cr (VI), [2].
En la Universidad de Prist, India, se investigó sobre el rendimiento de los adsorbentes de bajo costo tales como polvo de aserrín y polvo de neem, en la eliminación de metales pesados como Zn (II), Cu (II) y Cr (VI) presentes en tintes, encontrados en efluentes textileros. La eliminación de iones pesados de la industria textil aumenta con un incremento en la dosis de adsorbente. Los resultados arrojaron que el aserrín era mejor adsorbente que el polvo de neem [3].
Continuos experimento demostraron un valor de pH =1 obtenidos por experimentos tipo batch [2], la selección de estos pH bajos fueron también basados en el valor actual de pH de los efluentes industriales de cromado
(ph=1), efluentes de curtiembres (pH=2) y efluentes de galvanoplastia (ph=2.2) y estudios experimentales reportados en la literatura [2].
El método de difenilcarbazida o difenilcarbohidracida fue utilizado para el análisis de iones Cr (VI) en las soluciones acuosas, el cual solamente mide la cantidad de Cr (VI). Este método ha sido utilizado en varios estudios para el análisis de Cr (VI) a pH bajo [2].
5. FORMULACION DEL PROBLEMA
Se desconoce de una isoterma de adsorción determinado por el acondicionamiento del aserrín granulado en la remoción de Cr (VI) en una columna de lecho fijo y los diferentes comportamientos que esta isoterma pudiera presentar al variarse el peso del aserrín como adsorbente, el caudal de ingreso de la solución de Cr (VI) a la columna, así como su concentración inicial.
Este trabajo está orientado a que los estudiantes de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa, refuercen y apliquen los procesos teóricos en la práctica utilizando módulos de simulación para su completa comprensión y mejora continua de los mismos.
6. OBJETIVOS
6.1 OBJETIVO GENERAL
Determinar experimentalmente los parámetros óptimos en una columna de adsorción utilizando el aserrín como adsorbente para la remoción de Cr (VI) de soluciones acuosas.
6.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Diseñar y construir el esquema experimental del módulo de simulación Acondicionar el adsorbente de la mejor manera para la remoción de Cr (VI)
(tipo de aserrín, tamaño de partícula, porosidad, densidad, impurezas, humedad, capacidad de adsorción, grado de saturación)
Identificar la isoterma de adsorción del Cr (VI) sobre la superficie del aserrín Formular el modelo matemático que describe el comportamiento de la
columna de adsorción de lecho fijo Evaluar el efecto de los parámetros como son: carga de alimentación, masa
del adsorbente y concentración inicial de Cr (VI) sobre la curva de concentraciones a la salida de la columna de adsorción, así como sus valores óptimos.
Elaborar un programa computacional para simular el proceso de adsorción del Cr (VI) que permita comparar los valores obtenidos por la práctica con los brindados por la bibliografía.
7. HIPOTESIS
Al aumentar el valor de las siguientes variables de proceso: caudal de ingreso, peso de adsorbente y concentración inicial de solución a la columna, se obtendrá mayor remoción de Cr (VI) de las soluciones acuosas.
8. JUSTIFICACION
8.1 TECNICA
La simulación de procesos es una herramienta útil para el ingeniero de hoy, no solamente para entender una asignatura, sino también para poder predecir la dinámica de un proceso, así una vez más corroborar los conocimientos adquiridos teóricos –prácticos e iniciar en el usuario un punto de partida para la investigación y mejora continua de productos de Ingeniería.
8.2 ECONOMICA
La selección del adsorbente es un paso importante al hablar de costos del diseño y construcción de un equipo de adsorción, la alternativa de usar aserrín en el presente trabajo, radica en su bajo costo, además, es una material de desperdicio de la industria maderera reutilizable, puntos que hacen del proceso económicamente factible.
8.3 SOCIAL
Con el presente proyecto se busca que los estudiantes de la Escuela Profesional de Ingeniería Química refuercen y asimilen bien sus principios de ingeniería, así como el impacto que ocasiona la contaminación de metales pesados en nuestra comunidad, no solo a causa de residuos de curtiembres vertidos a las aguas que usamos, sino también provenientes de industrias; tales como la del caucho, galvanoplastia, metalúrgica, fungicidas, cerámicos, vidrio, minería, etc. con la excesiva concentración de aquellos.
9 MARCO TEORICO
El proceso de adsorción es una operación que se fundamenta en la transferencia de masa entre una fase sólida y una fase fluida (liquida o gaseosa), y que permite separar selectivamente de una solución uno o varios compuestos de interés. La sustancia que se concentra en la superficie se define como adsorbato, y el material sobre el cual este se acumula se define como adsorbente.
Los adsorbentes son sólidos porosos naturales o sintéticos de estructura amorfa o microcristalina. Los utilizados a gran escala incluyen el carbón activado, la alúmina activada, el gel de sílice, arcillas activadas, adsorbentes poliméricos sintéticos, sílica gel y mallas moleculares. En muchos casos el adsorbente puede regenerarse con el fin de obtener el adsorbato en forma concentrada o prácticamente pura
9.1. FUENTES DE CONTAMINACIÓN POR CROMO:
Fabricación de aceros inoxidables: la capacidad de los aceros inoxidables de resistir la corrosión depende de la presencia de cromo
Galvanotecnia: recubrimiento de metales (cromado).
Industria textil: mordiente o fijador de teñido.
Industria del curtido: como un agente de curtido en forma de sales, ayudando a estabilizar el colágeno de las pieles.
Oxidantes y catalizadores: cintas de casettes y de ordenadores, fungicidas, fertilizantes, detergentes, colorantes de vidrio y como pigmento en el grabado
En medicina como astringente y antiséptico:Por lo tanto la simulación es una herramienta que puede guiar al usuario en la elección del mejor diseño al variar las condiciones de operación o las propiedades del material adsorbente
Para las operaciones de adsorción e intercambio iónico: las columnas de lecho fijo constituyen el tipo de equipo más utilizado. En estos equipos se hace pasar la solución contaminada con adsorbato a velocidad constante a través del lecho. Las principales ventajas de estos sistemas son:
i. Trabajan eficientemente a concentraciones bajas de contamínate.ii. Son flexibles a variaciones de caudal y concentración.
iii. Moderadas necesidades de espacio.iv. Facilidad de automatización, posibilidad de regenerar el adsorbente y
recuperar sustancias retenidas cuando ello resulte de interés económico.
9.2. TIPOS DE ADSORCIÓN:
Adsorción física: se presenta cuando el adsorbato se adhiere a la superficie mediante fuerzas de van der waals; la naturaleza de las fuerzas de adsorción física es tal que se acumularan capas múltiples de adsorbato sobre la superficie del adsorbente.
Adsorción química: Se caracteriza por la compartición de electrones entre el adsorbente y el adsorbato que da por resultado la liberación de una cantidad de
calor que es de la misma magnitud que el calor de reacción. A causa de la compartición de electrones con la superficie, los materiales químicamente adsorbidos se restringen a la formación de una monocapa.
9.3. ISOTERMAS DE ADSORCIÓN
Se llama así a la correlación entre la concentración de adsorbato en la fase fluida y la concentración de adsorbato en la fase solida a una temperatura determinada. Cuando esta curva se construye para sistemas solido-liquido, la concentración del fluido se expresa habitualmente en unidades de masa, tales como partes por millón (ppm), mientras que la concentración del adsorbato sobre el sólido se expresa como masa del soluto adsorbida por unidad de masa del adsorbente original como se muestra en la figura 1.
A) Isoterma de freundlich: esta isoterma con frecuencia es conocida como la ecuación clásica; está limitado por un rango pequeño de concentraciones y en particular por soluciones diluidas, se puede representar por la ecuación 1
En donde: b y n son constantes para el sistema adsorbato adsorbente, con n>1 X= masa adsorbato/masa adsorbenteY*=masa del adsorbato/volumen del fluido
B) Isoterma de langmuir: esta ecuación se caracteriza por una aproximación de la capacidad de adsorción límite como la formación de una monocapa completa sobre la superficie del adsorbente, se determina mediante la ecuación 2
En donde: Q=masa de adsorbato en la cobertura de monocapa/masa solidoK= volumen del fluido/masa del adsorbato9.4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE ADSORCIÓN EN UN LECHO FIJO
En estas operaciones, a medida que transcurre el tiempo la zona de adsorción (ZA) se desplaza a través del lecho como una onda que avanza hacia la parte inferior del mismo a velocidad constante, generalmente más lenta que la velocidad del fluido.
10. METODOLOGIA
10.1 MATERIALES Y EQUIPOS
10.1.1 Instalaciones
Laboratorio Nro1 del Pabellón de Operaciones Unitarias de la Escuela de Ingeniería Química.
10.1.2 Materiales
Tacómetro(RPM de la BP) Probeta y cronómetros(caudal) Phmetro Termómetro Vasos de precipitados Tubos de ensayo Wincha Multímetro
10.1.3 Equipos
Balanza digital(1 Kg) Tanque amortiguador (10 L) Bomba Peristáltica ½ Hp Secador 220V Columna de adsorción (Probeta 250 ml) Espectrofotómetro Computadora Tanque colector(10L)
10.1.4 Reactivos auxiliares
Solución de dicromato de potasio al (10-100)% Reactivo difenilcarbazida (100g) Agua destilada (10L) Aserrín (1Kg)
11. ESTRATEGIA EXPERIMENTAL
FIG. 3 Esquema Experimental- FUENTE PROPIA
11.1. PREPARACIÓN DEL ADSORBENTE:
11.1.1 Lavar el aserrín varias veces con agua destilada hasta que el color marrón del agua desaparezca, y secar a 80 ºC durante 24 horas (opcional).
11.1.2 colocar el aserrín en el interior de la columna (lecho fijo)
11.2. PREPARACIÓN DE SOLUCIÓN CR (VI):
11.2.1 Pesar 141.45 mg de dicromato de potasio (K2Cr2O7), disolverlos y enrasar con agua en un matraz aforado de 100 ml, previa adición de HNO3 concentrado para ajustar el pH<2 (2-5 ml). Un ml de esta solución contiene 0.5 mg de Cr +6.
11.3 PREPARACIÓN DEL DIFENILCARBAZIDA:
11.3.1. Esta solución debe prepararse al momento de su uso, por lo cual se tendrá en cuenta el volumen necesario. Habitualmente 10 ml son suficientes, lo que implica pesar 50 mg de 1.5-difenilcarbazida y disolverlos en 10 ml de acetona.
11.4. ELABORACIÓN DE LA CURVA PATRÓN:
11.4.1 Pipetear volúmenes crecientes de la solución patrón de cromo, en volumétricos completar con agua desionizada hasta el aforo, para obtener al menos 6 concentraciones comprendidas en el intervalo de 0.000 a 0.200 mg/l.
11.4.2 Transferir las soluciones patrón a vasos de precipitado de 100 ml. A cada una adicionar 0.5 ml de ácido sulfúrico 1:1 y agitar con varilla de vidrio. El pH debe ser alrededor de 2.
11.4.3 Añadir 1.0 ml de solución de difenilcarbazida, agitar y dejar reposar 5 a 10 minutos para desarrollar color.
11.4.4 Leer de 5 a 10 minutos en espectrofotómetro a 540 nm con celdas de 5cm (50 mm) de paso óptico
11.5. MODELAMIENTO MATEMÁTICO PARA RECAUDACION DE DATOS EXPERIMENTALES
…………………………… (1)
…………………………. (2)
…………………………… (3)
…………………………… (4)
………………………… . (5)
……………………...……. (6)
…………………………… (7)
1. HIPOTESIS
El comportamiento cinético de la adsorción de Cr (VI) es descrita mejor por el modelo de balance de materia, el cual establece la gran influencia del flujo de la solución, la isoterma del adsorbente y la densidad del lecho, sobre la velocidad con que se adsorbe el Cr(VI) en la superficie del aserrín y así permitirnos evaluar la eficiencia de remoción.
Donde:Q =caudal tt = tiempo equivalente a la capacidad de columna qt=cantidad adsorbidaW =peso adsorbente tf = tiempo final de adsorción mt=cantidad enviada a columnaCbo =Concentracion Inicial Cr tb = tiempo de ruptura S= % de remoción EBRT= tiempo de residencia Ra = remoción exhaustiva Y= fracción inutilizada de columna
12. ALGORITMO
PLANIFICACION EXPERIMENTAL
CONSTRUCCION DE LAS ISOTERMAS DE LA ADSORCION
MODELAMIENTO Y SIMULAICON DE ADSORCION CR(VI)
ANALISIS DE RESULTADOS
CONCLUSIONES
REDACCION DEL INFORME FINAL
INICIO
PLANEAMIENTO DEL PROBLEMA
OBJETIVO DE LA INVESTIGACION
INVESTIGACION BIBLIOGRAFICA
CLASIFICACION
SELECCION EVALUACIONSELECCIÓN DEL MATERIAL
EL MATERIAL
13. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
Código Descripción Semanas
1 Revisión Bibliográfica 1
2 Formulación del marco conceptual 1
3Caracterización del adsorbente y solución de Cr (VI) 2
4 Evaluación del flujo en la adsorción 2
5 Ordenamiento de resultados 1
6 Análisis de resultados 1
7 Redacción del informe final 2
Cod. de Actividad
Semanas
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1
2
3
4
5
6
7
14. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
[1]. Diseño y simulación de columnas de adsorción de cromo de aguas tratadas de tenerías utilizando adsorbentes desarrollados en países Iberoamericanos.Yna Serrano L, pág.14[2]. Modeling, simulación, and experimental validation for continuous Cr (VI) removal from aqueous solution using sawdust as an adsorbent. SureshGupta, B.V. Babu, www.sciencedirect.com[3]. Evaluación delpotencial de adsorción del aserrín para remover aceites pesados en cuerpos de agua a escala laboratorio M.Jimenez y G. Padilla, pág.21 [4].Verificacion analítica para las determinaciones de cromo hexavalente en aguas por espectrofotometría. C.severiche y H. Gonzalez Ing. USBMed, Vol.4, No.1, Enero-Junio 2013[5].Diseño y contruccion de una bomba peristáltica de multiples canales para procesos de lixiviación
15. PRESUPUESTO
El proyecto tendrá una duración total de 10 semanas.
RECURSOS HUMANOS
Responsables de la investigación:
Bachiller de Ingeniería Química, Cárdenas Salazar Susan Johanna
Bachiller de Ingeniería Química, Ortega Revilla Julio Cesar
PERSONAL BONIFICACION TIEMPO TOTALResponsables 0.00 2 meses y 2 semanas 0.00
CONCEPTO COSTO S/. (Nuevos Soles)
Revisión bibliográfica y evaluación de la problemática actual
150.00
Búsqueda de información en Internet 200.00Para la compra de artículos referentes al tema, impresiones y otros.
500.00
Alquiler de equipos, materiales y laboratorios 600.00Parte experimental del trabajo, metodología. Reactivos auxiliares.
300.00
Análisis físicos en otros laboratorios 100.00TOTAL 1850.00
DEDICATORIA.
AGRADECIMIENTO.PRESENTACIONINTRODUCCION.
INDICE GENERAL
CAPITULO I. ASPECTOS GENERALES.
1.1. Definición del problema
1.2. Objetivos.
1.2.1. Objetivo general 1.2.2. Objetivos específicos
1.3. Antecedentes
1.4. Justificación del proyecto
1.4.1. Justificación tecnológica 1.4.2. Justificación económica 1.4.3. Justificación social
1.5. Hipótesis
1.6. Alcance de la Investigación
CAPITULO II. MARCO TEORICO
2.1 Fundamentos teóricos del proceso de adsorción 2.2 Tipos de adsorción2.3 Isotermas de adsorción2.4 Descripción del proceso de adsorción en un lecho fijo2.5. Modelos matemáticos para el diseño de unidades de adsorción.2.6 Desarrollo de un software para el diseño y simulación del proceso
