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Industrias II

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Intercambio Iónico

INTERCAMBIO IÓNICO Consiste en sustituir en una disolución uno o varios de sus iones por otros que forman parte del agente ion-cambiador; la primera cede sus iones a éste, y el ion cambiador, a su vez, cede los suyos (en cantidad equivalente) a la disolución. 1) DESIONIZACIÓN DEL AGUA. MARCHA E INSTALACIÓN. El intercambio iónico se suele efectuar por precolación en columnas cargadas con lechos granulares. Los cambiadores actúan siempre como adsorbentes lentos. Además de la adsorción el fenómeno implica reacciones químicas, difusión en la fase liquida y difusión a través del cambiador sólido, proceso esta muy lento. Para una corriente de agua con cloruro de sodio en solución Resina Catiónica

RcH + Na+ + Cl-

Cl- + H+ + RcNa

Resina Aniónica

RaOH + H+ + Cl-

RaCl + H2O

Instalación de desalificación:

MARCHA DE CÁLCULO: Los datos de los que partimos son: caudal, concentración inicial, concentración final requerida, duración mínima de la operación sin regenerar los cambiadores (+), densidad aparente de la resina.

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Calculo de la resina Catiónica Reacción

RcH + Na+ + Cl-

Cl- + H+ + RcNa

La cantidad de sodio a eliminar será:

(c

i

  mgClNa  PMNa +   mgNa   = X  − c f ).  ⋅ 3  3 100cm    100cm  PMClNa   cm 3   mgNa  Masa( Na + ) = Q  ⋅ T [ hr ]  ⋅ x 3  hr  100cm 

Mediante la ecuación de Freundlich podemos obtener la cantidad de Na+ adsorbida (retenida) en el equilibrio por unidad de peso del adsorbente:

a = k. cfn (k, n salen de tablas)   mgClNa  PMNa +   mgNa   =  cf =   ⋅ 3  3 PMClNa 100 cm     100cm  M re sin a =

⇒

 mgNa +  a=   g re sin a 

Masa( Na + )  g re sin a  =  a  ciclo 

Estos gramos de cambiador catiónico ocuparán el volumen: Vre sin a =

M re sin a densidad _ aparente

Y considerando que H/D = 4 ⇒ H’resina = Hresina .(1 + VI)

VI: volumen inerte

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Calculo de la resina aniónica Reacción

RaOH + H+ + Cl-

RaCl + H2O

La cantidad de ácido a eliminar será:

(c

i

  mgNaCl  PMHCl   mgHCl  − c f ).  ⋅  = X  3  3 100cm    100cm  PMNaCl   cm 3   mgHCl  Masa( HCl ) = Q  ⋅ T [ hr ]  ⋅ x 3  hr  100cm 

Mediante la ecuación de Freundlich podemos obtener la cantidad de HCl adsorbida (retenida) en el equilibrio por unidad de peso del adsorbente:

a = k. cfn (k, n salen de tablas)   mgNaCl  PMHCl   mgHCl  cf =   ⋅  =  ⇒ 3  3   100cm  PMNaCl  100cm  M re sin a =

 mgHCl  a=   g re sin a 

Masa( HCl )  g re sin a  =  a  ciclo 

Estos gramos de cambiador aniónico ocuparán el volumen: Vre sin a =

M re sin a densidad _ aparente

Y considerando que H/D = 4 ⇒ H’resina = Hresina .(1 + VI)

VI: volumen inerte

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2) REACCIONES DE INTERCAMBIO Y GENERACIÓN: La reacción de intercambio es reversible (la reacción directa es la propia reacción de intercambio la inversa será la de regeneración). En el intercambio de cationes, Cambio Iónico

RcCc + Ce+

RcCe+ Cc+ Regeneración

Ce+: cation del electrolito Cc+: cation del cambiador Rc: resto de la molécula del cambiador del Ion. El cambiador de cation suele ser sodio (forma sódica catión - cambiador) o el hidrogeno (forma ácida), en este ultimo caso la solución de la que se sustraen iones indeseables, se acidifica. El intercambio de aniones: Cambio Iónico

RaAa + Ae

-

RcAe + AaRegeneración

Ae+: Anión contenido inicialmente en el electrolito Aa+: Anión del cambiador Suele ser OH- o CO32Ra: radical de la molécula del cambiador del anión Regeneración: La regeneración de un cambiador de catión agotado, se obtendrá tratándolo por disoluciones del catión propio del cambiador de catión en cuestión (suele usarse: para la forma ácida: ClH o SO4H2, para forma sódica: ClNa). Los cambiadores de anión se regeneran con disoluciones de NaOH o CO 3Na2 En este ultimo caso se libera CO3H2 = H2O + CO2, por lo que corrientemente se emplea un dispositivo adecuado de desgasificación de los líquidos resultantes. Hay que tener presente que por regeneración no se llegara nunca, en la practica, al cambiador de Ion puro.

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3) TORRE DESCARBONATADORA Su función es descomponer el ácido carbónico en agua y dióxido de carbono:

CO3H2 = H2O + CO2

La descomposición del ácido carbónico se efectúa haciendo pasar el agua por un lecho de material de contacto, inyectando en contracorriente un gran volumen de aire, por lo que la torre esta equipada de un elemento electro ventilador. El aire viciado debe ser conducido al exterior por su corrosividad y humedad abundante. La entrada de agua al equipo es comandad por un regulador de nivel instalado en el tanque intermediario y una válvula automática.

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4) EQUIPO DE LECHO MIXTO: Para evitar el paso sucesivo por varios lechos de cambiador de catión y anión, se ha ideado recientemente un procedimiento que no necesita más que un solo recipiente en el cual se encuentran mezclados los cambiadores (lecho mixto). Las reacciones que tienen lugar son: Reacciones del Catión cambiador

Reacciones del Anión cambiador

Eliminación de Sales

RcH + Na+ + Cl- = Cl- + H+ + RcNa

RaOH + Na+ + Cl- = RaCl + Na+ OH-

Neutralización

RcH + Na+ + OH- = RcNa + Cl- + H+

RaOH + H+ + Cl- = RaCl + H2O

La dificultad del procedimiento esta en la regeneración, cuyas etapas se detallan a continuación:

1.- las resinas se lavan y al cesar la corriente de agua y los granos sedimentan de acuerdo a las densidades.