Carbón activado para tratamiento de aire y gases : Cómo calcular el lecho de adsorción

El carbón activado es la tecnología más versátil y económica para el tratamiento de corrientes de aire contaminadas con compuestos orgánicos volátiles (VOC), sulfuro de hidrógeno (H₂S), gases ácidos y mezclas complejas de olores industriales. Sin embargo, un lecho mal dimensionado no solo falla en remover el contaminante: también puede representar un gasto innecesario en carbón o, en el otro extremo, una vida útil tan corta que hace inviable el proceso.

En este artículo explicamos los conceptos de ingeniería detrás del dimensionamiento de un adsorbedor de carbón activado para fase gas, los parámetros clave que debes conocer antes de diseñar un sistema, y cómo utilizarlos en nuestra calculadora de carbón activado para tratamiento de aire para obtener una propuesta de dimensionamiento en segundos.

¿Para qué aplicaciones sirve el carbón activado en fase gas?

Antes de entrar al cálculo, es importante elegir el tipo de carbón correcto según el contaminante. No todos los carbones activados funcionan igual en fase gas: la naturaleza química del contaminante determina si se necesita adsorción física, quimisorción, o una combinación de ambas.

Una regla fundamental: los mercaptanos (etil mercaptano, metil mercaptano) son gases ácidos, no VOC orgánicos comunes. Un carbón sin impregnar tiene muy baja capacidad para retenerlos. Vapacid los retiene con más del doble de capacidad que un carbón estándar, porque los oxida a disulfuros mediante quimisorción (2R-SH → R₂S₂), que son menos olorosos y más fácilmente adsorbibles.

Los tres parámetros de diseño fundamentales

1. Velocidad superficial (v_sup)

La velocidad superficial es el caudal de gas dividido entre el área transversal del adsorbedor. Controla cuánto tiempo tiene el gas para entrar en contacto con la superficie del carbón.

Fórmula:

Cada carbón y granulometría tiene un rango operativo. Superarlo genera canalizaciones, mayor caída de presión y pérdida de eficiencia:

• Carvapur (granular, contaminantes orgánicos): 10–30 m/min
• Vapacid / Carvacid (impregnados, gases ácidos): 6–20 m/min
• Vapomer / Vapomer Pélet (mercurio): 6–15 m/min

A igual caudal, el pelet de 4 mm genera menor caída de presión que el granular equivalente a la misma velocidad superficial — importante cuando el ventilador tiene capacidad estática limitada.

2. Tiempo de Contacto en Cama Vacía (TCCV)

El TCCV —equivalente al EBCT en tratamiento de agua— es el tiempo que tarda el gas en atravesar el volumen geométrico de la cama de carbón. Es el parámetro más crítico del diseño: a mayor TCCV, mayor tiempo de adsorción y mayor vida útil antes del punto de ruptura.

Fórmula:

O equivalentemente:

Los valores de referencia por aplicación son:

• Control de olores a baja carga (< 2 ppmv): 1–2 s
• VOC industriales (solventes, cetonas): 2–5 s
• H₂S y mercaptanos (Vapacid): 3–8 s
• Vapores de mercurio (Vapomer): 8–20 s

Un TCCV insuficiente produce una ruptura prematura: el contaminante comienza a salir antes de que el carbón esté saturado, desperdiciando capacidad.

3. Altura efectiva de la cama

La altura mínima recomendada para cualquier adsorbedor de carbón en fase gas es de 30 cm (12″). Por debajo de este valor, la distribución del gas no es uniforme y existe riesgo de canalización. En la mayoría de las instalaciones industriales, las alturas oscilan entre 60 cm y 110 cm.

Fórmula:

Si la altura calculada resulta menor a 30 cm, la solución no es reducir el TCCV: es aumentar el diámetro del adsorbedor o instalar dos camas en serie.

Cómo calcular la masa de carbón activado

Una vez definido el volumen del lecho, la masa de carbón es directa:

Las densidades aparentes (bulk) típicas de los carbones Carbotecnia en fase gas son:

• Carvapur granular: 550–700 kg/m³ (usamos 620 kg/m³ de diseño)
• Carvacid granular: 550–660 kg/m³
• Vapacid Pélet (Pélet-8): 450–550 kg/m³
• Vapomer Pélet (Pélet-8): 450–550 kg/m³

Cómo calcular la vida útil del carbón

La vida útil depende de dos factores: cuánto contaminante puede retener el carbón (capacidad) y cuánto contaminante llega por hora (carga másica).

Carga másica del contaminante

Para convertir de ppmv a mg/m³:

Donde 24.04 L/mol es el volumen molar a 20°C y 1 atm, y PM es el peso molecular del compuesto.

Capacidad de adsorción

El Boletín Técnico 002 de Carbotecnia clasifica la capacidad del Carvapur en cuatro niveles:

• Nivel A (alta capacidad): el carbón retiene 20–50% de su propio peso. Ejemplos: tolueno, xileno, hexano, acetatos, percloroetileno.
• Nivel B (satisfactoria): retiene 10–25% de su peso. Ejemplos: acetona, MEK, cloruro de metileno.
• Nivel C (caso a caso): retiene menos del 10%. Ejemplos: butano, propano.
• Nivel D (no adecuado): capacidad tan baja que el carbón activado no es la tecnología apropiada. Ejemplos: metano, etano, hidrógeno, monóxido de carbono.

Para carbones impregnados, la capacidad proviene directamente de las fichas técnicas oficiales:

• Carvacid / Carvacid Pélet: 11.0 g H₂S / g de carbón
• Vapacid Pélet: 0.11 g H₂S / cm³ de carbón
• Carvapox: ≥ 16% p/p para formaldehído
• Vapomer: 0.30 kg Hg / kg de carbón

Vida útil estimada

Un factor importante: la capacidad de equilibrio (el valor de las fichas técnicas) raramente se aprovecha en su totalidad en operación continua. El punto de ruptura —donde el efluente comienza a superar el límite permitido— ocurre típicamente al 30–40% de la capacidad de equilibrio. En nuestros cálculos usamos 35% como valor conservador, alineado con el MIP de Recuperación de Solventes de Carbotecnia.

Ejemplo de cálculo: control de olores en una PTAR

Datos del proceso:

• Caudal de aire: 2,000 m³/h
• Contaminante principal: H₂S + mercaptanos (mezcla típica PTAR)
• Concentración de entrada: 5 ppmv de H₂S equivalente
• Concentración de salida requerida: ≤ 0.5 ppmv
• Operación: 24 h/día

Selección del carbón: Vapacid (gases ácidos + mercaptanos por quimisorción)

Paso 1 — Caudal en m³/s:

Paso 2 — Área transversal (v_sup = 10 m/min = 0.167 m/s):

Paso 3 — Volumen de lecho (TCCV = 4 s):

Paso 4 — Altura de cama:

Paso 5 — Masa de carbón (ρ_bulk Vapacid = 625 kg/m³):

Paso 6 — Carga másica (H₂S: PM = 34.1 g/mol):

Paso 7 — Vida útil (cap. Vapacid Pélet: 0.11 g/cm³ ≈ 11% p/p para H₂S; factor efectivo 0.35):

Un resultado razonable para una PTAR a concentraciones moderadas de H₂S. Si se requiere mayor vida útil, se puede aumentar el TCCV a 6 s o instalar dos camas en serie.

Condiciones de operación que afectan el diseño

Temperatura. Por encima de 40°C la capacidad de adsorción disminuye significativamente para todos los carbones de adsorción física. La regla práctica: cada 10°C de aumento reduce la capacidad en un 15–25%. Vapomer es la excepción: opera mejor entre 30–60°C y acepta hasta 100°C.

Humedad relativa. El agua compite directamente con los contaminantes orgánicos por los microporos del carbón. Por encima del 60% HR se recomienda preenfriamiento del gas para reducir la humedad antes del adsorbedor. Vapacid y Carvacid toleran mayor humedad (hasta ~85% HR) gracias a su impregnación alcalina. Vapomer funciona incluso con alta humedad.

Compuestos que el carbón activado NO puede tratar. Es importante reconocer las limitaciones: metano, etano, propano, hidrógeno y monóxido de carbono tienen capacidad D (no adecuada). Para estos compuestos se deben evaluar otras tecnologías como oxidación catalítica o combustión térmica.

Usa nuestra calculadora gratuita

Todos los cálculos descritos en este artículo están automatizados en nuestra calculadora de carbón activado para tratamiento de aire. La herramienta cubre seis tipos de aplicación —VOC, aldehídos oxidables, H₂S y gases ácidos, control de olores, mezclas mixtas y vapores de mercurio— y recomienda automáticamente el producto Carbotecnia más adecuado según el contaminante seleccionado.

Para cada caso entrega: masa de carbón, dimensiones del lecho, velocidad superficial, TCCV, caída de presión estimada, vida útil hasta el punto de ruptura y carga másica mensual del contaminante.

Si necesitas un dimensionamiento más preciso o tienes condiciones especiales de proceso, contáctanos para una cotización con análisis de ingeniería: nuestro equipo técnico puede realizar una propuesta basada en la composición real de tu corriente de gas y los límites de emisión aplicables.