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Cuando un gas o un vapor se encuentra en contacto con una superficie sólida, parte de éste se une al sólido. Esta fracción de gas o vapor que se une al sólido entra dentro de éste o permanece anclado en su superficie. A este fenómeno se le llama adsorción. La adsorción es un proceso exotérmico en el que se produce una disminución de la entropía del sistema.
De forma simplificada, la adsorción es la atracción y adhesión de moléculas gaseosas y/o líquidas sobre la superficie de un sólido y sus cavidades interiores. Esta atracción es debida a las fuerzas no equilibradas existentes en la superficie de cualquier sólido. Estas fuerzas no equilibradas son el resultado de valencias no satisfechas en la superficie del sólido y dan lugar a lo que se conoce como tensión superficial sólida. La cantidad de adsorción depende tanto de la naturaleza específica del adsorbente como del material adsorbido.
Dado que la adsorción es un fenómeno de superficie, los buenos adsorbentes son aquellos que presentan grandes superficies por unidad de masa y tienen grandes fuerzas atractivas. La cantidad de adsorción es directamente proporcional a la superficie expuesta y a la concentración del material adsorbido. Toda clase de moléculas pueden ser adsorbidas hasta cierto punto, aunque aquellas moléculas que tienen una polaridad mayor son más propensas a ser más fuertemente adsorbidas que las que presentan una polaridad menor.
La adsorción puede producirse en condiciones tanto estáticas como dinámicas. La capacidad de adsorción estática, también llamada capacidad de equilibrio, es la capacidad máxima que se puede obtener para una humedad relativa determinada. Un ejemplo de aplicación de secado estático es el envasado de productos farmacéuticos con materiales adsorbentes para mantener bajos los niveles de humedad. También se consideran condiciones estáticas aquellas en las que el fluido a secar se encuentra en movimiento pero en circuito cerrado. Sin embargo la mayor parte de las aplicaciones de la adsorción tienen lugar en condiciones dinámicas, por ejemplo, el secado de vapor de agua contenido en el aire comprimido para su posterior empleo en procesos productivos.
A medida que el fluido a tratar atraviesa el adsorbente disminuye la eficiencia de éste hasta que se llega a su saturación. Durante el proceso de secado se libera energía en forma de calor. Mediante el proceso de regeneración se pueden restablecer las propiedades adsorbentes del lecho. Existen varios métodos de regeneración, los más empleados son la regeneración por aporte de calor, la regeneración por reducción de presión y la regeneración por barrido de un fluido de higrometría baja.
      
Las alúminas se han utilizado durante varias décadas en las industrias de catálisis y adsorción. Es su estructura la que determina de forma esencial las características adsorbentes que poseen. Existen cinco tipos de alúminas termodinámicamente estables y diversas fases metaestables. La mayoría de los tipos de alúmina se obtienen a partir del proceso Bayer.
El proceso de obtención de la alúmina que se emplea en la actualidad es esencialmente el inventado por Kart Bayer en 1887. Este proceso utiliza hidróxido de sodio (sosa cáustica) para disolver de forma selectiva el Al²O³ de la bauxita. Esto produce una solución compleja de aluminatos sodio de la que posteriormente se hace precipitar el Al(OH)³ que se calcina para obtener el óxido de aluminio.
En general las alúminas cristalinas, procedentes de óxidos e hidróxidos, no se consideran útiles para la adsorción, ya que poseen poca porosidad y superficie de contacto. Las alúminas de fase metaestable (de transición) son las que se emplean como materiales adsorbentes. Éstas últimas se obtienen a partir de la descomposición térmica de hidróxidos, ya que la pérdida de grupos hidroxilos da lugar a estructuras cristalinas deficitarias de átomos aluminio y oxígeno. Dependiendo de la de fase metaestable que se este obteniendo, los iones Al+³ y O-² pueden coordinarse tetraédricamente o octaédricamente en sistemas compactos cúbicos o hexagonales.
Como ejemplo, la gamma alúmina, que es el tipo de alúmina más conocida, tiene un defecto en su estructura de espinela en la que los oxígenos se encuentran en una estructura cúbica compacta. La red espacial de los átomos de oxígeno se encuentra bien ordenada, sin embargo la red espacial de los átomos de aluminio se encuentra sensiblemente desordenada. Esta distorsión de la red cristalina comporta una mayor concentración de posiciones ácidas en su superficie.
En función del método de obtención empleado, la morfología inicial en las alúminas de transición obtenidas puede ser amorfa o poco sensible a la difracción de los Rayos X. De hecho, gran parte de los productos comerciales disponibles en la actualidad, como la gamma alúmina, son amorfos. Por definición, las alúminas amorfas de transición poseen una mayor concentración de defectos en sus redes cristalinas en comparación con las alúminas de transición parcialmente cristalinas. En la transición de estructura amorfa a estructura cristalina tiene lugar un importante reordenamiento en las subestructuras cristalinas aniónicas y catiónicas. Durante este proceso de reordenamiento se generan defectos en la red cristalina lo que da lugar a centros activos de adsorción.
Las beta alúminas son otro grupo de alúminas que presentan propiedades de adsorción. Consisten en aluminatos alcalinos substituidos y sus compuestos derivados. La más conocida es el beta aluminato de sodio Na²O-Al²O³-2CO²-2H²O. Es un compuesto derivado que junto con el beta aluminato de sodio constituyen los componentes principales del llamado proceso alúminas alcalinas para desulfurizar los gases de salida de la calcinación. Otro grupo de alúminas son las alfa alúminas, aunque normalmente no se consideran como adsorbentes debido a su prácticamente total deshidroxilación, poca superficie de contacto y su casi nula porosidad. Sin embargo presentan una acidez de Lewis mayor por unidad de superficie de contacto en comparación con las alúminas de transición, por lo que pueden tener una mayor propiedad de adsorción dada esta acidez. Por ejemplo, las alfa alúminas adsorben muy bien los cloruros, el vapor de agua y los ácidos inorgánicos.
Actualmente, no se conoce totalmente la naturaleza química de los centros activos de adsorción de las alúminas ya que no todo el proceso de adsorción se puede atribuir a las vacantes aniónicas. Puede considerarse que las alúminas activadas poseen centros básicos y ácidos de Lewis y Brönsted de diversa fuerza y concentración. La acidez se debe a los iones Al³+ insaturados, hidróxilos protonados y algunos hidróxilos acídicos. La basicidad es el resultado de vacantes aniónicas de O²- y de hidroxilos básicos.
Finalmente, se han identificado en las alúminas activadas cinco formas distintas de grupos hidroxilos de superficie. En función de su síntesis, orientación geométrica y concentración, éstos poseen diferentes grados de características ácidas y básicas en la adsorción. En los últimos años ha ido ganando en importancia el estudio y modificación de la química de superficie de las alúminas, para mejorar su adsorción selectiva de determinados compuestos. El método más común para la modificación de las alúminas de transición es el control del tratamiento térmico que tiene lugar durante su proceso de obtención. Mediante este control se modifica la concentración de los hidroxilos y de los centros básicos y ácidos de Lewis y Brönsted.
Las alúminas se emplean en el secado de aire, olefinas, gas natural, gas de síntesis, gas de reciclado de reforming catalítica, propileno, butano, butadieno, gasolina, hidrocarburos clorados, hidrocarburos fluorados, disolventes aromáticos y purificación de gases y líquidos.
      
Los tamices moleculares son zeolitas cristalinas cuya formulación general es M²/nO · Al²O³ · xSiO² · zH²O, siendo M un catión de valencia n+. Fueron descubiertas hace 200 años por el mineralogista Cronstedt. Se les puso este nombre ya que al calentar este material se observaba que aparentemente hervía y se vaporizaba. La palabra zeolita en griego deriva de "zeo" que significa hervir y de "lithos" que significa piedra.
Aunque de composición similar, las zeolitas son completamente diferentes de los silicatos de aluminio amorfo. El componente fundamental de la estructura de los cristales de un tamiz molecular es un tetraedro de cuatro aniones oxígeno que rodea un catión más pequeño de silicio o de aluminio. Los iones de sodio, potasio o calcio sirven para compensar el déficit de carga eléctrica positiva en los tetraedros de alúmina. Cada uno de los cuatro aniones de oxígeno es compartido, a su vez, con otro tetraedro de sílice o alúmina, para extender la red cristalina en tres dimensiones. La red cristalina resultante posee alvéolos con cavidades relativamente grandes donde cada una de éstas se encuentra conectada con otras cavidades adyacentes por medio de canales o poros.
Entre los diferentes tipos de tamices moleculares que se pueden encontrar en el mercado, los más utilizados son el tipo 4A y el tipo 13X que tienen la siguiente fórmula:
4A : Na¹² [ (AlO²)¹² (SiO²)¹² ] · 27H²O
13X: Na86 [ (AlO²)86 (SiO²)106 ] · 27H²O
En ambos casos, el ión de sodio puede ser intercambiado por otros iones de manera que se pueden formar distintos tipos de tamices moleculares para utilizar en otras aplicaciones. El agua de hidratación se extrae por calentamiento antes de utilizarse el material.
El tamiz molecular tipo A tiene un red cristalina compuesta por octaedros truncados unidos en una disposición cúbica. Esta disposición produce un octaedro central en cubo truncado con una cavidad interna de 11 Angstroms de diámetro. Cada cavidad central, denominada jaula α, tiene entrada por seis aberturas circulares, formadas por un anillo casi regular de ocho átomos de oxígeno, con un diámetro libre de 4,2 Angstroms. Las cavidades quedan así dispuestas en una forma continua de tres dimensiones, que constituye un sistema de canales con un diámetro máximo de 11 Angstroms y un diámetro mínimo de 4,2 Angstroms. Los octaedros truncados encierran a su vez un segundo juego de cavidades menores de 6,6 Angstroms de diámetro interior, denominadas jaula α, que están conectadas a las cavidades mayores por medio de un anillo deformado de seis átomos de oxígeno de 2,2 Angstroms de diámetro.
En el proceso de obtención de los tamices moleculares de tipo A, el silicato de sodio, el tri-hidrato de alúmina y el hidróxido de sodio se dosifican en depósitos mezcladores y se someten a agitación hasta que se obtiene la homogeneidad de la mezcla. El gel resultante se bombea hasta un depósito de cristalización donde se mantiene bajo unas condiciones controladas. Una vez finalizada la cristalización, el compuesto resultante se filtra y lava. Si se quiere sustituir el sodio de la red cristalina del compuesto obtenido por calcio u otros cationes, se calienta mezclado con una solución de la sal metálica correspondiente y posteriormente el nuevo compuesto obtenido se filtra y lava. Para obtener la forma comercial final, se mezcla el compuesto con aglutinantes de arcilla y se extrusiona. Posteriormente y como último paso, el material obtenido se calienta para extraer el agua y activar el tamiz molecular.
A diferencia de otros materiales adsorbentes, los tamices moleculares poseen una extraordinaria capacidad de adsorción del agua y moléculas polares, siempre que éstos se encuentren en poca concentración en el fluido a tratar.
Así mismo, gracias al tamaño uniforme de poro que poseen dada a su estructura cristalina, los tamices moleculares se pueden utilizar como filtros de criba de partículas o moléculas de un determinado tamaño.
Los tamices moleculares se emplean en el secado de aire, CO, CO², H²S, SO², NH³, N², O², metano, metanol, etanol, etileno, acetileno, propileno, óxido de etileno y n-propanol.
      
El gel de sílice es una forma porosa, granular y amorfa del silicio. Su proceso de obtención se realiza aprovechando la diferencia entre la tensión superficial de una solución coloidal (reacción química entre el ácido sulfúrico y el silicato sódico) y la de un precipitante para la formación de geles. Del proceso de obtención del gel de sílice resultan unas perlas de geometría esférica. Independientemente de su estructura interna, esta forma esférica asegura una distribución uniforme y regular del material adsorbente, confiere una facilidad de paso al fluido a tratar sin la formación de canales ni cavidades en el lecho y da lugar a una menor abrasión.
El gel de sílice es químicamente estable, no tóxico, inerte y no corrosivo. Su composición química es del 97 % en peso de SiO² y 3 % en peso de Al²O³. Esta composición le hace compatible con la mayor parte de los productos químicos industriales, a excepción de las bases fuertes y del ácido fluorhídrico.
Su estructura interna, aún siendo amorfa, está constituida por una vasta red de micro poros interconectados entre ellos. Los geles de sílice estándares poseen una superficie interna aproximada de 800 m²/g.
Los geles de sílice se emplean en el secado de gases y líquidos excepto bases fuertes y ácido fluorhídrico.
      
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