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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2000
Algunos ensayos sobre la regeneración de la sílica gel
y su aplicación al secado del aire
Martina, P. - Aeberhard, A. - Aeberhard, R. - Ventín, A. - Corace, J.
GIDER – Facultad de Ingeniería - UNNE.
Av. Las Heras 727 - (3500) Resistencia - Chaco - Argentina.
E-mail: [email protected]
RESUMEN
Se construyó un dispositivo para la regeneración de la sílica gel y luego se utilizó a ésta en diversos ensayos
de secado de aire. El equipo regenerador de sílica gel consta de una resistencia eléctrica y de un ventilador
que fuerza el aire caliente a pasar a través de un cartucho rectangular de sílica gel. El aire caliente le va
extrayendo el contenido de humedad al cartucho de sílica gel, notándose esto en la reducción de peso del
mismo.
Posteriormente el cartucho regenerado se utiliza para secar aire atmosférico, lográndose buenos resultados
finales (el aire se seca y se calienta en forma isoentálpica). El sistema de regeneración y secado demostró ser
práctico debido a su facilidad de uso y su bajo costo. Este sistema de secado de aire puede utilizarse incluso
en equipos de refrigeración por enfriamiento evaporativo.
INTRODUCCION
Hoy en día los usos que se le dan al secado del aire son cada vez mayores. En industrias como la
farmacéutica, la alimenticia, la textil, la refrigeración y el confort, etc., se requieren contenidos de humedad
bajos, del 50% o menos. Para la zona como la nuestra (región chaqueña junto al río Paraná), esto se
transforma en un inconveniente, ya que nuestro clima es netamente húmedo, con humedades que raramente
bajan del 65%. Para lograr humedades menores, se debe secar el aire o sea disminuir su contenido de
humedad.
Esto se logra por medio de disecantes, sustancias que absorben las moléculas de agua del aire tratado, hasta
llegar a un contenido de humedad deseado. Los disecantes trabajan transfiriendo las moléculas de agua debido
a una diferencia entre la presión del vapor de agua en su superficie y la presión de vapor de agua en el aire
circundante. Cuando la presión del vapor de agua en la superficie del disecante es menor que la del aire, el
disecante atrae moléculas de agua y viceversa, cuando la presión de vapor de agua en la superficie del
disecante es mayor que la del aire, entonces el disecante libera las moléculas de agua. Entre los disecantes
más utilizados están los disecantes líquidos y los sólidos. Entre los sólidos podemos nombrar la alúmina
activada, el carbón activado, las zeolitas y el sílica gel. Nuestros ensayos se han realizado íntegramente con
sílica gel, debido a que es fácil de conseguir y su costo accesible. Este adsorbente tiene la particularidad de
tener una extraordinaria superficie interna por unidad de masa. En los intersticios y capilares que presenta esta
superficie se va acumulando el agua extraída al aire. Una vez que la sílica gel ha adsorbido toda la cantidad
de agua posible, se debe realizar el proceso inverso, es decir que el sílica gel libere las moléculas de agua para
poder funcionar nuevamente como disecante. Este proceso se denomina regeneración.
Estos ensayos de regeneración y secado de aire, son parte integral de un proyecto mayor, que consiste en
desarrollar un equipo de refrigeración por enfriamiento evaporativo para su aplicación en automóviles o
edificios. Este sistema de refrigeración funciona si se aplica solamente a un aire bastante seco. Tiene 3 partes:
secado a entalpía constante, enfriamiento del aire a humedad absoluta constante y finalmente humedecimiento
y enfriamiento a entalpía constante. La energía necesaria para regenerar el adsorbente se obtendría de los
gases de escape del motor o de la energía solar.
DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS
Se armó un cartucho de sílica gel rectangular, con un marco de perfil de aluminio en U, de las siguientes
dimensiones: 34,5cm * 24,7 cm * 5,8 cm de espesor. En su interior se colocó sílica gel granular de 5 a 8 mm
de granulometría. La cantidad de sílica gel que se colocó en el cartucho fue de 3830 gramos. A ambos
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costados del cartucho se colocó tela metálica para permitir el pasaje del aire. Debido a que el peso del sílica
gel era demasiado para la tela metálica, esta se inflaba hacia fuera, haciendo que el sílica gel se concentre en
la parte inferior del cartucho. Por este motivo hubo que poner cuatro estantes horizontales para que no se
produzca este problema, lográndose así una distribución más uniforme de la sílica gel.
El regenerador propiamente dicho se construyó de la siguiente manera: en el interior de un caño de chapa
galvanizada de 10 cm de diámetro y 24 cm de longitud, se montó una resistencia eléctrica de 49 ohm, con sus
2 terminales colocadas hacia fuera, donde se le suministraba una tensión de 220 voltios. Esto significaba una
potencia P = V*V / R = 220*220 / 49 = 987,7 watts
Esta potencia permanecía constante durante la experiencia. Antes de la resistencia se colocaba un ventilador
eléctrico, cuyo caudal se regulaba abriendo y cerrando su entrada de aire, lo cual influía en la temperatura de
la corriente de aire que se obtenía. Aguas abajo del cartucho de sílica gel existían un ventilador eléctrico, que
succionaba el aire, aumentando el flujo de aire que atravesaba perpendicularmente el cartucho . Luego de
iniciarse el ensayo, aproximadamente a los 15 minutos el sistema alcanzaba su temperatura de trabajo y se
mantenía en ese valor.
Todo este equipo estaba montado en una carcaza metálica, que permitía armar y desarmar el cartucho con
facilidad, así como colocar los instrumentos de medición (termómetros, medidores de humedad y de
velocidad de aire). Los recintos a medir (1 y 2 en el esquema) están térmicamente aislados del exterior
mediante una capa que los recubría. El esquema del equipo regenerador es indicado en la figura siguiente:
CARTUCHO DE S.G.
A.E.
RESISTENCIA
ELECTRICA
A.C.
FORZADOR
1
A.R.
2
MEDICION DE TEMP. Y
HUMEDAD
En la figura se observa la boca de entrada de aire externo, del cual se medían la temperatura y la humedad. Un
forzador de aire impulsa éste a través de una resistencia eléctrica de 49 ohm alimentada con una tensión de
220 voltios. Luego el aire caliente es guiado a través de unos ductos aislados hasta el cartucho donde se
encuentra la sílica gel. El aire caliente atraviesa perpendicularmente la capa de sílica gel, extrayéndole a su
paso la humedad de sus gránulos. Finalmente el aire, con una humedad absoluta mayor que la inicial, es
empujado hacia fuera por otro ventilador centrífugo. Por diferencia de pesos entre el inicio y el fin de la
experiencia se obtiene la cantidad de agua extraída.
ENSAYOS DE REGENERACION
Los ensayos realizados pueden considerarse una continuación de los ensayos realizados en un trabajo anterior,
(Busso et al, 1998). En ese trabajo se realizó la regeneración de la sílica gel a temperaturas altas (mayores de
90°C). En este trabajo se intenta demostrar que la sílica gel puede regenerarse a temperaturas menores, desde
40°C hasta 90°C . Para lograr las diferentes temperaturas se fue obstruyendo la boca de toma de aire de
entrada a la resistencia eléctrica, con lo que se lograron diferentes velocidades de aire, y con ello diferentes
flujos y temperaturas de aire caliente.
Se realizaron ensayos con diferentes temperaturas
100 °C - 70 °C - 58 °C - 48 °C - 38 °C
La experiencia se realizaba durante 90 minutos, tiempo suficiente para obtener resultados adecuados. Las
mediciones de temperatura y humedad se realizaron cada 3 minutos, salvo las condiciones ambientales, que
por ser un laboratorio cerrado, se mantenían en forma prácticamente constante durante toda la experiencia. Se
midieron los siguientes parámetros: temperatura y humedad exteriores, temperatura antes del cartucho de
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sílica gel y finalmente temperatura y humedad del aire después de pasar por el cartucho. El aire ambiente al
pasar por la resistencia eléctrica, se calentaba a humedad absoluta constante hasta su temperatura final de
régimen, transformación representada por una recta horizontal en el diagrama sicrométrico. Luego el aire era
forzado a pasar por la pared de sílica gel, aumentando su humedad absoluta. Este proceso, que idealmente
sería a entalpía constante, se producía en realidad con una pérdida de entalpía, probablemente por la energía
gastada en atravesar la capa granular. En los primeros momentos del ensayo, la diferencia de humedades
absolutas entre puntos ubicados antes y después del sílica gel era amplia, lo que indicaba que el aire estaba
extrayendo mucha humedad al disecante. Al avanzar el ensayo, se observaba que esta diferencia iba
disminuyendo debido a que el sílica gel se iba secando.
El ensayo de regeneración a 100°C se realizó dentro de una mufla eléctrica. Las ventajas que presenta este
sistema es que permite regeneraciones más completas, ya que la pérdida de peso es mayor (la sílica gel queda
de color azul al estar bien seca). Como desventaja se puede nombrar que una mufla eléctrica es un equipo
caro y que no está al alcance de todos. Además, por secarse en un ambiente cerrado, donde hay muy poca
circulación de aire, el proceso tarda mucho más tiempo (2 días contra 90 minutos).
Los otros 4 grupos de ensayos ( 70°C, 58°C, 48°C y 38°C) se realizaron con temperaturas diferentes,
notándose una mayor pérdida de peso a medida que aumentaba la temperatura. En el último grupo de ensayos
(a 38°C) se observó que el aire tenía la misma humedad absoluta antes y después del sílica gel, por lo que no
permitía la regeneración. Esta temperatura puede considerarse como el límite inferior de regeneración. En
los esquemas indicados más arriba (n°1 a 70°C, n°2 a 58°C y n°3 a 48°C) se observan diagramas
sicrométricos con los ensayos mencionados: A.E. significa aire exterior a humedad y temperatura ambientes,
A.C. significa aire caliente y A,R. aire de regeneración.
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ENSAYOS DE SECADO
Luego de regenerar la sílica gel, se la empleaba para secar una corriente de aire que la atravesaba
perpendicularmente. El aire entraba a temperatura y humedad ambiente, y al pasar por la sílica gel se secaba
en una transformación idealmente isoentálpica, aunque en realidad al producirse el secado el aire disminuía su
entalpía. Esta pérdida de entalpía se producía debido a pérdidas de calor a través de la estructura metálica del
cartucho de sílica gel. Al secarse el aire aumentaba su temperatura y disminuía su humedad relativa,
disminuyendo también su humedad absoluta, ya que parte del agua quedaba en el sílica gel.
En algunos ensayos se obtuvo aire seco con 8% de humedad y 52°C de temperatura, partiendo de aire
ambiente a 34 °C y 55% de humedad. A medida que va transcurriendo el ensayo, el sílica gel va adsorbiendo
agua, el aire va aumentando su humedad hasta que sale a la misma humedad que entra. Esto se debe a que la
sílica gel ha alcanzado su límite de adsorción y debe regenerarse nuevamente.
Una capa de sílica gel de las dimensiones
indicadas más arriba secaba el aire en forma
satisfactoria
durante
90
minutos
aproximadamente, con un flujo de aire de 0.7
m/s. Luego de este tiempo, el aire salía con
las mismas condiciones de temperatura y
humedad con las que entraba. Este aire seco
podría enfriarse luego a humedad absoluta
constante (transformación horizontal en un
diagrama sicrométrico), y luego enfriarse a
entalpía constante mediante una cortina de
agua, completándose así un proceso de
refrigeración por enfriamiento evaporativo.
En el próximo esquema (n° 4) se observa un
diagrama sicrométrico con un ensayo de
secado realizado en el laboratorio. En este
esquema A.S. es el aire seco y A.E. es el
aire exterior entrante
CONCLUSIONES
De las experiencias realizadas se concluye que se puede construir un regenerador de sílica gel económico y
sencillo, por lo que la posibilidad de obtener aire seco es muy asequible. La regeneración se efectúa por el
método de pasar una corriente de aire caliente que atraviese la capa de gránulos. La mínima temperatura de
esta corriente de aire caliente rondaría la 45 °C. Una temperatura óptima de pasaje de aire sería de 100 °C ,
aunque ésto se lograría con un consumo eléctrico muy elevado. Se obtiene excelentes resultados con
corrientes de aire de 80 °C.
La sílica gel regenerada es un medio excelente par secar el aire; en ensayos realizados se ha logrado
humedades relativas hasta del 10%, partiendo de aire ambiente a 65 % de humedad. La sencillez y economía
de este método permiten tener un cartucho de silica gel trabajando (secando el aire), mientras el otro se está
regenerando para ocuparse posteriormente. El secado del aire es el primer paso en los procesos de
refrigeración por enfriamiento evaporativo
REFERENCIAS
*Perry, J. H. (1958). Manual del Ingeniero Químico, 3 edición, Mc Graw Hill
*Ashrae Handbbok, 1997, Fundamentals S.I. Edition
*Busso, Figueredo, Pochetino, Aeberhard, Benitez, Equipo de climatización ecológico para automotores utilizando la
energía de desperdicio del motor, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, Vol 2, n 1, 1998
*Kirk-Othmer, (1996), Drying, Encyclopedia of Chemical Technology, Wiley Interscience, 75-127
*Knaebel K.S. (1995). For Your Next Separation Consider Adsortion, Cover Story, Chemical Engineering 92-102
*Figuredo, Busso, Pochettino, Benítez, Aeberhard, Reunión de Comunicaciones Científicas y Tecnológicas (1998).
Regsg3.doc