EQUIPO DE PERVAPORACIÓN CON UNA CELDA DE FLUJO RADIAL

El equipo experimental utilizado para los distintos experimentos realizados con membranas planas en la celda de flujo radial se muestra esquemáticamente en la figura (2.2). La instalación está formada básicamente por un sistema de pervaporación estándar, que fue suministrado por G.F.T. (Sulzer Chemtech) y al que fue necesario modificar algunas características para adaptarlo a las necesidades operativas.

Durante los experimentos, la fase acuosa de alimentación es bombeada desde el tanque de alimentación, pasa por el rotámetro, en la celda se pone en contacto con la membrana, y desde allí es recirculada al tanque. La cara posterior de la membrana se mantiene bajo un nivel de vacío apropiado, proporcionado por una bomba de vacío. El permeado en fase vapor es recogido en el sistema de condensación, que se encuentra situado entre la celda y la bomba de vacío.

El material de todos los elementos en contacto con el agua residual sintética es acero inoxidable AISI 316L, mientras que todos los sellos y juntas están hechos de Teflon o Viton. Todos los accesorios de tuberías pertenecen a la serie Gyrolok de Hoke Inc. El tanque de alimentación tiene forma cilíndrica, con una capacidad de 2 litros, y cuenta con una camisa para intercambio de calor. En la parte superior está cerrado por una tapa roscada con una junta de Teflon para asegurar la estanqueidad. En dicha tapa van insertados cuatro elementos:

♦ Una tubería para ingresar la alimentación, provista con un embudo de Teflon y válvula de cierre, y comunicada por una conexión en T con una válvula de seguridad (Hoke 6532 G6YMMI, regulable en el rango 20 – 75 psi).

♦ La tubería de retorno de la alimentación desde la celda de membranas. ♦ Un termómetro analógico (Gulbinat).

♦ Una tubería con válvula de cierre para permitir la purga de aire.

Durante todos los experimentos se mantiene constante la temperatura de operación. La temperatura de la alimentación se controla bombeando a través de la camisa un fluido de transferencia térmica (etilenglicol) desde un baño termostatizado (DC3-B3, Haake, Germany). Este circulador-calefactor cuenta con una potencia calefactora de 1500 W. Para los experimentos realizados a temperaturas por debajo de 40ºC se requiere refrigerar la fase acuosa de alimentación para compensar la energía aportada por la bomba de alimentación, para lo cual se ha usado, según los casos, tanto agua corriente como un baño criogénico (Polyscience digital temperature controller, model 9510).

Para impulsar la corriente de alimentación a través de la instalación, el equipo cuenta con una bomba centrífuga, cuya característica más destacable es el hecho de estar acoplada magnéticamente al motor. La ausencia de empaquetaduras garantiza la estanqueidad en la carcasa, lo cual es muy importante cuando se manipulan disoluciones conteniendo compuestos volátiles. La bomba ha sido suministrada por Speck (SPY –2071) y tiene las siguientes características:

♦ Potencia: 0,25 kW. Motor eléctrico de 2850 rpm. ♦ Suministro eléctrico: 230 voltios (CA).

♦ Conexiones: Aspiración: conexión roscada ¾” (rosca ISO) Impulsión: conexión roscada ¾” (rosca ISO) ♦ Caudal máximo: 17 l/min. Altura máxima: 35 m.

Para regular el caudal de fluido impulsado por la bomba se ha dispuesto un by-pass entorno a la bomba provisto de una válvula esférica, que permite modificar la fracción de fluido que pasa por la bomba.

Para medir los caudales de la fase acuosa se ha incorporado un rotámetro equipado con una válvula de aguja para regulación del flujo. Este rotámetro fue suministrado por Tecfluid, con un flotador de acero inoxidable y permite medir caudales desde 1 l/min hasta 10 l/min.

El sistema de pervaporación cuenta con una válvula para muestrear la corriente de alimentación. Se trata de una válvula de aguja cuya descarga está conectada a un capilar con forma de serpentín. Puesto que en ocasiones puede operarse a temperaturas un tanto elevadas, se debe ser cuidadoso al recoger las muestras de alimentación. Para minimizar las pérdidas de VOCs, se utilizó un vaso apropiado conteniendo agua fría como líquido refrigerante y se colocó de tal forma que el capilar en espiral quedara inmerso en el agua fría. Al momento de tomar una muestra, se abre lentamente la válvula, se desechan los primeros 10 ml y a continuación se recoge un pequeño volumen de muestra, puesto que solo se ocupan 0,5 ml tomados con micropipeta automática para realizar las diluciones con vistas al análisis cromatográfico.

Un esquema de la celda utilizada para alojar a las membranas planas se presenta en la figura (2.3). La celda construida completamente en acero inoxidable torneado está formada por dos cuerpos de forma circular, con una configuración semejante a la de “placas y marcos”. La membrana está soportada por un disco de metal sinterizado y la celda queda sellada herméticamente por medio de una junta tórica de un material fluor-elastómero (Kalrez, Dupont), estando el cierre asegurado por cuatro bulones exteriores. El área útil de membrana resultante es de 0,0178 m2_.

Es importante destacar que la circulación del fluido por el interior de la celda es análoga a la circulación entre placas paralelas, pero en nuestro caso la distancia entre placas varía moderadamente como una función de la posición radial, donde la altura del canal está dada por:

( )

b =− ∗ + (2.1)

La corriente de alimentación circula radialmente dentro de la celda. Es decir, ingresa por el centro del compartimento de alimentación y sale por un canal circular ubicado en el perímetro de la celda.

Debido a la forma y dimensiones de la celda, el movimiento de un fluido dentro de ella queda restringido al régimen laminar, para velocidades que impliquen una caída

de presión aceptable. Puede observarse que la velocidad del fluido cambia con la posición radial y por tanto no existe un número de Reynolds único para toda la celda.

Figura 2.3. Esquema de la celda de pervaporación con flujo radial (sección transversal)

Área específica de membrana:

3 2 0 r 0 r 2 2 c m e m m 227 m 0132 , 0 3 b 3 b R 3 1 R V A A = = = ∗ π ∗ π = = = =

Puesto que la pervaporación se caracteriza por ser una operación endotérmica, resulta importante poder cuantificar la disminución de temperatura al pasar por la celda. Para ello se dispone de dos sondas de temperatura en forma de termopares (Ni Cr / Ni Al – Tipo K; Thermocoax, Philips) ubicadas una en el punto de entrada del fluido

b(r) Alimentación _Retenido Permeado R Membrana Soporte o-ring z r

a la celda y la otra en el punto de salida, y están conectadas ambas sondas a un termómetro digital (GTH 1100/2 – DIF; Greisinger electronic GmbH) que permite ver alternativamente las temperaturas individuales o la diferencia de temperatura entre ambos puntos. Cabe destacar que en los experimentos realizados no se observó ningún ∆T y esto se debe a los bajos flujos de permeado en relación a los caudales de la corriente de retenido, lo que lleva a que el calor latente absorbido por las moléculas de permeado no se traduce en un cambio significativo de la entalpía de la corriente de retenido.

En la tubería de retorno de la corriente de retenido al tanque de alimentación se ha incorporado un manómetro. La instalación está diseñada contemplando la posibilidad de trabajar con presiones de hasta 3 bar, en particular si se trabaja con líquidos volátiles a temperaturas elevadas. Sin embargo, en los experimentos realizados en este trabajo la presión del sistema se mantuvo muy próxima a la presión atmosférica. Para mantener un nivel de vacío apropiado en la cara posterior de la membrana, del orden de 1 – 2 mmHg (presión absoluta), se adoptó una bomba de vacío de paletas rotativas lubricada por aceite, suministrada por Telstar S.A., modelo 2P-3. Sus características más importantes son:

♦ Vacío máximo: 8x10-4 _{mbar (sin gas ballast)}

♦ Caudal de aspiración nominal: 3 m3_/h

♦ Potencia del motor (220 V, II): 0,25 CV ♦ Tolerancia al vapor de agua: 25 mbar

Una bomba sencilla de paletas deslizantes se compone de un rotor ranurado montado asimétricamente en una carcasa prácticamente circular. Las paletas rígidas están montadas en dichas ranuras del rotor por las que se deslizan en dirección radial (figura 2.4). Normalmente son impulsadas hacia el exterior por la acción de la fuerza centrífuga desarrollada por la rotación, si bien dicho movimiento radial puede estar asistido por la acción de un resorte o por la presión aplicada en la base de cada paleta. El cierre está asegurado por las paletas que se desplazan manteniendo un contacto de rozamiento a lo largo de la superficie interna de la carcasa; el espacio

entre paletas adyacentes configura cámaras cuyo volumen aumenta y disminuye progresivamente de manera alternativa. La boca de aspiración está localizada en un punto próximo a aquel en el que la cámara tiene su máximo volumen; la depresión que en ella se produce da lugar a la aspiración del fluido que después es transportado por la cámara hasta que ésta llega al orificio de descarga por donde se impulsa a medida que el volumen de la cámara se va reduciendo. La carcasa tiene una forma real tal que promueve la aceleración uniforme de las paletas, al mismo tiempo que evita su agarrotamiento, a fin de lograr el máximo rendimiento. La lubricación de la bomba se consigue mediante circulación interna del aceite.

Además la bomba cuenta con un dispositivo denominado “gas ballast” que permite una entrada controlada de aire en la cámara de expulsión que evita la condensación de vapores.

Figura 2.4. Esquema de una bomba de vacío de paletas deslizantes

Para medir el nivel de vacío que se alcanza en la zona de permeado se emplea un vacuómetro de tubos concéntricos con mercurio, modelo Afora 8100. Este aparato permite medir presiones absolutas desde 1 hasta 180 mmHg. Es importante que la medición de presión se realice lo más próximo posible a la cara posterior de la membrana, por ser éste el dato que resulta de interés, ya que en este punto el nivel de vacío puede ser inferior al logrado a pie de bomba, a causa de las pérdidas de carga en el condensador, tuberías y accesorios.

Para condensar los vapores de permeado se utilizó una trampa de vidrio con una capacidad de 50 ml, la cual se sumergía en un vaso Dewar con nitrógeno líquido. Los resultados obtenidos indican la imposibilidad de retener con este dispositivo la totalidad de la masa de VOCs presentes en el permeado. Esta situación coincide con lo observado por otros autores [Visvanathan et al., 1995; Crowder y Cussler, 1998]. Por ejemplo, en el caso de los experimentos realizados con disoluciones de cloroformo se encontró que las cantidades de cloroformo retenidas en el condensador correspondían en término medio a un 70 % de lo que podría esperarse de acuerdo al balance de materia. Por tal motivo, el seguimiento del proceso se hizo midiendo la evolución de la concentración de soluto en el tanque de alimentación.

Características de la membrana plana utilizada

Todos los experimentos en la celda de flujo radial fueron realizados con una membrana plana con estructura de tipo compuesta, suministrada por GFT (Sulzer Chemtech) con la referencia Pervap 1070.

La membrana compuesta está formada por 3 capas [Brüschke, 1997]:

¾ Una capa densa (no porosa) del polímero polidimetilsiloxano (PDMS) con el agregado de 80 % de zeolitas hidrófobas. Su espesor es de alrededor de 15 micrómetros. Esta capa es la responsable de la selectividad del proceso.

¾ Una capa soporte formada por una subestructura porosa de acrilonitrilo con un espesor aproximado de 0,1 mm. Presenta una estructura de poros asimétrica con un diámetro mínimo de alrededor de 20 nanómetros.

¾ Un tejido soporte de poliéster, con un espesor aproximado de 0,1 mm y un diámetro de poros en un rango de varios micrómetros.

Figura 2.5. Esquema de la estructura compuesta de la membrana Pervap 1070

En cuanto a los límites de utilización de esta membrana, están dados por: • Máxima temperatura en operación continua: 80 ºC.

• Máxima temperatura por cortos períodos de tiempo: 90 ºC.

• Máxima concentración de comp. orgánicos en la alimentación: 50 % (orgánicos miscibles con agua).

• Compuestos excluidos: disolventes apróticos (DMF, DMSO), álcalis, aminas fuertes.

Es conocido que el acondicionamiento de las membranas de pervaporación puede tener una fuerte influencia sobre su rendimiento. Las membranas nuevas no dan los resultados óptimos inmediatamente, sino que necesitan un cierto tiempo de acondicionamiento. Este tiempo depende del tipo de membrana y de las condiciones de operación (temperatura, composición de la alimentación). En el caso de la membrana Pervap 1070 el fabricante recomienda hacer recircular la mezcla de prueba a 70 ºC durante 4 horas antes de comenzar a recoger datos [GFT, 1996]. Este acondicionamiento solo es requerido cuando se usa por primera vez una membrana nueva. El propósito de este procedimiento es permitir que la membrana, que inicialmente está totalmente seca, se equilibre con el líquido de alimentación y requiere un período de tiempo en el cual la membrana cambia sus características .

Tabla 2.3. Antecedentes de la utilización de la membrana Pervap 1070 para el tratamiento de disoluciones acuosas con distintos solutos:

Tipo de soluto Referencias

• Organoclorados Goethaert et al. (1993); Dotremont et al. (1994). • Disolventes

orgánicos

Devine et al. (1995); Mencarini et al. (1994); Slater et al. (1997).

• Aromas Baudot y Marín (1996); Baudot et al. (1999); Karlsson y

Tragardh (1993b,1994)

• Alcoholes Karlsson y Tragardh (1994). Jonquières y Fane (1997)

2.3.2. EQUIPO DE PERVAPORACIÓN CON UN MÓDULO DE FIBRAS