Platos de Fraccionamiento

Texto completo

(1)

PLATOS DE FRACCIONAMIENTO

PLATOS DE FRACCIONAMIENTO

Los platos se aplican ampliamente en los sistemas donde la pérdida de presión no es un Los platos se aplican ampliamente en los sistemas donde la pérdida de presión no es un obstáculo para el proceso. En sistemas de alta presión y también de altas

obstáculo para el proceso. En sistemas de alta presión y también de altas cargascargas de líquido, de líquido, los platos tienen un buen rendimiento y estabilidad, sin embargo, sus aplicaciones también los platos tienen un buen rendimiento y estabilidad, sin embargo, sus aplicaciones también contemplan a las columnas con presión atmosférica y, en algunos casos, hasta columnas de contemplan a las columnas con presión atmosférica y, en algunos casos, hasta columnas de vacío.

vacío.

RELLENOS DESORDENADOS RELLENOS DESORDENADOS

Son ampliamente utiliados en sistemas con ba!as tasas de flu!o de líquido, y su ba!a Son ampliamente utiliados en sistemas con ba!as tasas de flu!o de líquido, y su ba!a  pérdida de

 pérdida de cargacarga también favorece su aplicación en sistemas de vacío. "tra aplicación muy también favorece su aplicación en sistemas de vacío. "tra aplicación muy com#n es en lechos de columnas de intercambio de calor y en las que funcionan con alta com#n es en lechos de columnas de intercambio de calor y en las que funcionan con alta  presión.

 presión.

El costo atractivo de los rellenos desordenados, la tradición, la facilidad de instalación y El costo atractivo de los rellenos desordenados, la tradición, la facilidad de instalación y mantenimiento los hacen muy competitivos.

mantenimiento los hacen muy competitivos.

RELLENOS ORDENADOS RELLENOS ORDENADOS

$ellenos ordenados son ampliamente utiliados en procesos que requieren pérdidas de $ellenos ordenados son ampliamente utiliados en procesos que requieren pérdidas de

carga

carga muy pequen%s y alta eficiencia. Son los más com#nmente utiliados en sistemas demuy pequen%s y alta eficiencia. Son los más com#nmente utiliados en sistemas de vacío, y otros sistemas no espumosos con ba!o contenido de sólidos.

vacío, y otros sistemas no espumosos con ba!o contenido de sólidos.

ES&'E() ES&'E()

**++$$""--''**//++ 0.1 "$$E

0.1 "$$E -E "L'(+)S -E "L'(+)S E(2)E(2))-)S)-)S 3.1 $ELLE+"S

3.1 $ELLE+"S -ES"$-E+)-"S 4 ES$''$)-"S.-ES"$-E+)-"S 4 ES$''$)-"S. 3.0.1 ES$''$)

3.0.1 ES$''$)

3.3.1 $ELLE+"S -ES"$-E+)-"S 3.3.1 $ELLE+"S -ES"$-E+)-"S 5.1 -*SE6" 7*-$)'L*"

5.1 -*SE6" 7*-$)'L*" -E L) "$$E.-E L) "$$E. 5.0.1 8lu!o de una sola fase

5.0.1 8lu!o de una sola fase 5.3.1 8lu!o de una dos fase 5.3.1 8lu!o de una dos fase

9.1 SELE*/+ -EL $ELLE+" 9.1 SELE*/+ -EL $ELLE+"

:.1 )L'L"S ;E')*"+ES 4 E<E(2L"S= :.1 )L'L"S ;E')*"+ES 4 E<E(2L"S= :.0.1 >L'L" -E -*)(E$" :.0.1 >L'L" -E -*)(E$" :.3.1 >L'L" -E )L'$) :.3.1 >L'L" -E )L'$) :.5.1 >L'L" -E :.5.1 >L'L" -E )*-) -E 2$ES*/+ E+ L) "L'(+))*-) -E 2$ES*/+ E+ L) "L'(+) ?.1 -*SE6" -E 2L)"S 2)$) "+)-"$ES L*&'*-"@A)2"$. ?.1 -*SE6" -E 2L)"S 2)$) "+)-"$ES L*&'*-"@A)2"$.

(2)

)+EB"S

"+L'S*/+ C*CL*"D$)8) -ES)$$"LL"

1._ TORRE DE COLUMNAS EMPACADAS

Las torres empacadas, utiliadas para el contacto continuo del líquido y del gas tanto en el flu!o a contracorriente como a corriente paralela, son columnas verticales que se han llenado con empaque o con dispositivos de superficie grande. El líquido se distribuye sobre éstos y escurre hacia aba!o, a través del lecho empacado, de tal forma que eFpone una gran superficie al contacto con el gas

2._ RELLENOS DESORDENADOS Y ESTRUCTURADOS. 2.1._ ESTRUCTURA

Los arreglos de empaques, se clasifican principalmente enG Empaques al aar o aleatorios onsiste en empaques, que no se disponen ba!o ning#n orden, sino simplemente se arro!an dentro de la torre.

)ntes se utiliaban piedras, grava y materiales similares, pero estos no tienen áreas grandes ni espacios vacíos, y no resultaban adecuados debido a la pequeHa superficie y malas características con respecto al flu!o de fluidosI así que ahora se utilian empaques fabricados, como anillos $asching, sillas Cerl, sillas *ntaloF, anillos de Lessing, anillos 2all ;8leFirings=, 7y@pal, elleretes, entre otros. odos estos tipos de empaques tienen sus  propiedades determinadas y los materiales que mane!en los fabricantes.

. Anillos tipo Raschin.

Los anillos de $asching son cilindros huecos, cuyo diámetro va de ? a 0JJ mm ;lK9 a 9  pulgadas= o mas. 2ueden fabricarse de porcelana industrial, que es #til para poner en

contacto a la mayoría de los líquidos, con eFcepción de álcalis y ácido fluorhídricoI de carb?n, que es #til, eFcepto en atmósferas altamente oFidantesI de metales o de plásticos. Los anillos !" L"ssin y otros con particiones internas se utilian con menos frecuencia. Los empaques con forma de silla de montar, los de Cerl e *ntaloF y sus variaciones se  pueden conseguir en tamaHos de ? a : mm ;0K9 a 5 pulgadas=I se fabrican de porcelanas

químicas o plásticos.

Los anillos !" Pall, también conocidos como 8leFirings, anillos de cascada y como una variación los 7y@2aM, se pueden obtener de metal y de plástico.

Los T"ll"#"tt"s y algunas de sus modificaciones se pueden conseguir con la forma que se muestra y en plástico. Deneralmente, los tamaHos más pequeHos de empaques al aar  ofrecen superficies específicas mayores ;y mayores caídas de presión=, pero los tamaHos

(3)

mayores cuestan menos por unidad de volumen. ) manera de orientación generalG los tamaHos de empaque de 3: mm o mayores se utilian generalmente para un flu!o de gas de J.3: m5Ks ;ca. :JJ ft5Kmin=, :J mm o mayores para un flu!o del gas de 0 m5Ks ;3JJJ ft5Kmin=. -urante la instalación, losempaques se vierten en la torre, de forma que caigan aleatoriamenteI con el fin de prevenir la ruptura de empaques de cerámica o carbón, la torre  puede llenarse inicialmente con agua para reducir la velocidad de caída.

2.2._ RELLENOS DESORDENADOS

)l diseHar columnas de relleno a escala industrial, debe realiarse un balance económico entre el coste de instalación y el material auFiliar de la columna por una parte, y los costes de funcionamiento, por otra. Deneralmente, al reducir el diámetro disminuye el coste de instalación, pero aumenta el coste de bombeo del gas, debido al aumento de la caída de  presión. Si se selecciona una velocidad del gas y, por tanto, el diámetro de la columna, la velocidad del líquido dependerá del punto de carga calculado. Las columnas de relleno son muy usadas para conseguir un íntimo contacto entre dos fluidos inmiscibles o parcialmente miscibles, ;gas@líquido o dos líquidos=. 2or tanto, es  preciso seleccionar un relleno que proporcione una elevada superficie de contacto y un alto grado de turbulencia entre los fluidos. +ormalmente esto se consigue a eFpensas de un incremento en los costes de inversión yKo en la caída de presión, debiendo realiarse el  balance mencionado anteriormente.

La construcción de las torres es relativamente simple. onstan de una carcasa metálica;cerámica, vidrio, plástico, etc.=, completamente vertical, en cuyo interior eFiste un soporte sobre el que descansa el relleno. Este soporte debe tener al menos el :N del área libre para el paso del gas. El gas se introduce por la parte inferior, y el líquido por la superior, eFistiendo OdistribuidoresO para ambos, gas y líquido. 2ara torres altas, son necesarios platos de redistribución de líquidos, encontrándose en la  bibliografía información para la separación entre ellos, seg#n el relleno. 8inalmente, indicar que las columnas presentan tamaHos muy distintos, seg#n sean las operaciones a efectuarG desde 3,: cm hasta 9,: m de diámetro, y hasta 5J m de altura. En cuanto a los rellenos, pueden dividirse en tres grandes clasesG a= Sólidos troceadosG son los más baratos y se utilian en tamaHos muy distintos. "frecen  buena resistencia a la corrosión, pero son menos satisfactorios en cuanto al flu!o del líquido o a la superficie efectiva para la transferencia. +o son rellenos uniformes con porosidad constante, ;riesgo de canaliaciones=.  b= $ellenos de una forma determinadaG Son los más comunes en las plantas químicas ;anillos $aschig, 2all, Lessing, monturas Cerl, etc., y los más recientes, anillos (ini, monturas *ntaloF, 7y@2aM, etc.=. 2resentan una gran eficacia y una ba!a caída de presión, encontrándose disponibles en una amplia gama de tamaHos y materiales. 2resentan menos riesgo de canaliaciones y me!or distribución de líquidos, pero son más caros, sobretodo los de menor tamaHo.

(4)

El tamaHo del relleno utiliado influye en la altura y el diámetrode la columna, y en la caída de presión y coste del relleno. Deneralmente, al aumentar el tamaHo del relleno, se reduce el coste por unidad de volumen y la caída de presión por unidad de altura, pero se reduce la eficacia en la transferencia de materia, por lo que se precisará una mayor altura de columna. c= $ellenos de re!illaG 8áciles de fabricar, se utilian normalmente para columnas de sección cuadrada. ambién se construyen de diversos materiales, originando ba!as caídas de presión debido a los espacios libres entre re!illas. Son fáciles de montar, pudiéndose utiliar para suspensiones.

El principal problema que presentan es la mala distribución de líquidos para flu!os elevados, porque se forman canalillos, y no gotas. $._ DISE%O &IDRAULICO DE LA TORRE.

'n lecho empacado, a través del cual usualmente fluyen a contracorriente una fase liquida y una gaseosa, facilita el contacto requerido para la transferencia de masa y de calor. La  presencia de elementos de empaque en la torre aumenta el área interfacial y provee una resistencia al flu!o mayor que la que se presentaría en una coraa vacía. $.1._ Fl'(o !" 'na sola )as"

Si solamente una fase, liquida o gaseosa, fluye a través del lecho empacado, el sistema  puede tratarse con base en la teoría de flu!o de fluidos a través de lechos de sólidos

granulares.

uando un gas o un líquido fluyen a través de un lecho, es forado a seguir una serie de canales irregulares formados por los intersticios entre las partículas solidas que lo conforman. La caída de presión depende del tamaHo y elarreglo de estas #ltimas, así como de la velocidad, densidad y viscosidad del fluido, ) velocidades suficientemente ba!as la caída de presión, )2d, es proporcional a la velocidad, como lo eFpresa la ecuación de -arcy para agua que fluye en un lecho de arenaG -onde u es la velocidad determinada sobre la sección transversal total del lecho y P es una constante, llamada coeficiente de  permeabilidad del lecho.

-iámetros de partícula y flu!os ba!os conducen a n#meros de $eynolds característicos de flu!o laminar, condición ba!o la cual la pérdida de forma debida al arrastre, medida en términos de un coeficiente de arrastre, contribuye con casi toda la caída de presión, ya que las perdidas de energía cinética son muy pequeHas. Este coeficiente de arrastre es inversamente proporcional al n#mero de $eynolds.La relación lineal entre la caída de  presión y la velocidad es análoga a la ecuación de 2oiseville para el flu!o en un tubo vacioG

$.2._ Fl'(o !" 'na !os )as"

La hidráulica del flu!o de dos fases en torres empacadas puede abordarse de diferentes formas. 'na primera aproFimación es considerarlo como una eFtensión del flu!o en una sola fase. ambién puede abordarse como una modificación al flu!o de dos fases en una tubería o como una combinación de las dos. 'na opción más reciente, especialmente para el flu!o a través de empaques estructurados, consiste en el modelamiento de los caminos de flu!o para ambas fases y en la solución de las eFpresiones de transporte de cantidad de

(5)

movimiento a microescala y posterior evaluación de los fenómenos presentes enmeso y macroescala por medio e técnicas de fluido@dinámica computacional.

$égimen de flu!oG En una torre empacada que opera a contracorriente pueden

identificarse diferentes regímenes de operación. Pister ;0QQJ 4 0QQ3= presenta los siguientes regímenes de flu!o con relación a la gráfica velocidad del gas en función de la caída de presiónG

urva característica de caída de presión. ;)daptada a Pister 0QQJ y 8air 0QQ=

 $égimen de aída *nsuficienteG a ba!as velocidades de líquido, la torre se comporta

esencialmente como si el empaque estuviera secoI esto es, la caída de presión en la columna es casi la misma que en el flu!o de una sola fase ;región a la derecha de )=. 2or supuesto, no se logra una distribución adecuada del líquido sobre el empaque, ni el humedecimiento total de su superficie. )dicionalmente como muestra Stichlmair y 8air ;Stichlmair y 8air, 0QQR=, la región de operación del distribuidor de liquido es mucho menor que la del empaque, con lo cual se restringe el intervalo de operabilidad de la torre. ambién se ha establecido que eFiste una velocidad mínima de flu!o de líquido, por deba!o de la cual la  película de líquido no es estable y por consiguiente la eficiencia de transferencia de masa es

muy ba!a.

 $égimen de 2recargaG la mayoría de los empaques se diseHan para operar en esta región,

en la cual la eficiencia de la columna es independiente de la velocidad de flu!o del gas, y la caída de presión se incrementa uniformemente con la misma ;región entre )@C y )@ C=. $egión de operaciónde una torre empacada. ;Stichlmair, 0QQR=

 $égimen de argaG cuando las columnas operan ba!o este régimen ;región sombreada

entre C@ y CT@T= alcanan la máFima eficienciaI sin embargo se recomienda diseHar con las debidas precauciones, ya que algunas formas de inestabilidad podrían conducir  fácilmente a la condición de inundación, dada la vecindad eFistente entre estos dos regímenes.

 $égimen de *nundaciónG esta región se caracteria por la inestabilidad, la conversión del

líquido en la fase continua, el arrastre eFcesivo de líquido por el gas ascendente y una pobre eficiencia. Se considera el límite superior de operación de la columna ;línea T@T hacía arriba=.

)dicionalmente se ha reportado ;Pister, 0QQJ y 0QQ3= la eFistencia de un punto de operación estable por encima de la región de inundación ;línea -@-U=, en el cual la torre opera básicamente como una columna de burbu!eo.

*._ SELECCI+N DEL RELLENO

En la siguiente figura se comparan los empaquen al aar y estructurados de manera análoga a lo presentadoI los empaques estructurados ofrecen mayor área superficial específica y por  consiguiente mayor eficiencia. -e igual forma, dada una eficiencia ;igual área superficial específica= el factor de empaque de los empaques estructurados es menor a lo que corresponde a una mayor capacidad.

(6)

omparación entre empaques al aar y empaques estructurados. ;Pister, 0QQ3= En general los empaques estructurados tienen mayor eficiencia y capacidad y presentan menor caída de presión por plato teórico que los empaques al aar.Sin embargo, la eficiencia y la capacidad de los empaques estructurados disminuyen rápidamente al aumentar la presión o la velocidad de liquido, con lo cual se reduce su venta!a sobre los empaques al aar ;Mister, 0QQ3=.

uando se requiere manear fluidos con sólidos que tienden a formar depósitos, no es aconse!able el uso de empaques estructurados. En sistemas corrosivos u oFidantes el material de los empaques en ho!a corrugada debe ser muy bien seleccionado, ya que típicamente se fabrican en láminas con calibres entre 5J ;J.3:9 mm= y 3J ;J,Q5: mm=,  por deba!o del espesor normal de tolerancia a la corrosión ;5 mm=. )demás debe tenerse en cuenca el alto costo de los empaques estructurados, 5 a 0J veces mayor que el de los empaques al aar de 3 pulgadas ;Mister, 0QQ3=, a#n cuando el costo de operación, en  particular para servicios a vacío, es mucho menor y puede conseguirse una reducción en el

costo inicial por la simplificación de los equipos auFiliares ;condensadores, compresores o  bombas de vacio=.

) continuación se presenta una lista de criterios a considerar en la evaluación y selección de empaques ;Mister, 0QQ3=G

  Elevada área superficial especificaI esto es elevada área superficial por unidad de

volumen de lecho empacado.

 -istribución uniforme del área superficial.

 Deometría tal que promueva la distribución uniforme de las fases.

ba!a retención estática, dado que el líquido estancado contribuye muy poco a la

transferencia de masa y desperdicia superficie de empaque.

 (áFima superficie humectable, debido a que sólo elárea humedecida es efectiva para la

transferencia de masa.

 )lta fracción vacía, con el propósito de reducir la resistencia al flu!o.

 Ca!a fricción, lo cual se promueve coa una estructura abierta y aerodinámica.

 $esistencia ba!a y uniforme al flu!o a través del lecho, lo cual depende de la geometría

del empaque y de la homogeneidad en la porosidad del lecho.

8orma tal que induca turbulencia para favorecer los fenómenos de transferencia.8ácil separación de las fases, condición especialmente importante en servicios a elevada

 presión y altas velocidades de flu!o.

 apacidad para mane!ar variadas cargas de líquido y de gas sin cambios significativos en

la eficiencia.

 $esistencia a la deformación mecánica y al rompimiento.

 *nercia química frente a las sustancias con las cuales se traba!e, ba!o las condiciones de

operación.

  $esistencia apropiada a las temperaturas de operación y en especial, a los choques

térmicos.

(7)

 Ca!o costo.

,._ CALCULOS -ECUACIONES Y EEMPLOS/ ,.1._ C0LCULO DE DIAMETRO

El diámetro de una torre empacada se determina, en general, por su comportamiento hidráulico. En el proceso de diseHo de una columna son muchas las variables involucradas y el n#mero de grados de libertad siempre es mayor que cero, por lo que el diseHador debe definir algunas especificaciones.

La condición de diseHo, velocidad o caída de presión del gas se establece de forma tal que la columna opere lo más cerca de la condición de máFima eficiencia, perosuficientemente aleada de la región en la que esta disminuye rápidamente. 2ara ello se ofrecen diversas recomendaciones basadas en la eFperiencia y que involucran la determinación de la condición de inundación, de la capacidad máFima de operación o de la caída de presión. -e acuerdo con lo anterior las torres empacadas usualmente se diseHan para operar entre el J y el RJ N ;Pister, 0QQ3= de la velocidad del gas que corresponde al punto de inundación. Strigle recomienda diseHar las torres empacadas con un margen del 0J al 3J N de su capacidad máFima de operación y esta le encuentra alrededor de un : N por deba!o del  punto de inundación ;Strigle, 0QQ9=, lo cual equivale a diseHar entre el ? y el R? N de la velocidad de inundación. La siguiente tabla destaca algunos criterios de máFima caída de  presiónG

"peraciónKSistema (áFima aída de ;2aKm=. -estilación

)tmosférica

(edia a ba!a presión )lta presión )l vacío Sistemas espumantes )bsorción Sistemas no espumantes Sistemas espumantes on aminas arbonato caliente Secado de cloro )bsorción de S"5 )tmosférica ) presión. $egeneración

-e gas inerte en sistemas espumantes-e vapor en sistemas espumantes -e aminas

arbonato caliente -espo!adores on agua

(8)

on liquido diferente al agua Sistemas espumantes 90J V R3J 90J V R3J 20 8 J. ;WL K WX=0 9J V RJ RJ V 3JJ 3JJ V 53: 3JJ 3JJ 3:J RJ V 03J 3JJ V 3:J 0?J V 53: 90J V R3J 3JJ 3:J 3:J 53: :JJ 53: 3QJ

abla +Y 0. (áFima caída de presión recomendada para columnas empacadas ;Pister, 0QQ3=.

,.2._ C0LCULO DE ALTURA

La altura de una columna empacada depende de los requerimientos de separación y de la eficiencia del empaque. 2ara determinar la eficiencia de un empaque se han propuesto dos conceptos. El primero, basado en los modelos de equilibrio, permite una comparación directa con las columnas por etapas y el segundo emplea los modelos de velocidad de transferencia de masa.

 )ltura Equivalente a un 2lato eóricoG una forma de evaluar la eficiencia de un empaque

es mediante el concepto de altura equivalente a un plato teórico ;7E2, de las siglas en inglés=. -ado un sistema puede determinarse el n#mero de platos teóricos ;n= para lograr la separación requerida por cualquiera de los métodos disponibles ;matri tridiagonal, métodos de rela!ación, entre otros= de manera tal que, conocida la 7E2, la altura de la torre se eval#a comoG

Z[ + ;7E2=

2ara determinar la 7E2 se han propuesto diferentes correlacionesG Strigle, 0QQ9 y Xhaley, 0QQQ.

La 7E2 depende deG

(9)

@ naturalea fisicoquímica de los componentes de la mecla @ flu!o del gas

 )ltura de una 'nidad de ransferenciaG una me!or aproFimación al comportamiento real

de una torre empacada se consigue por medio del concepto de unidad de transferencia, el cual se fundamenta en modelos de transferencia de masa entre fases, en contacto continuo. El n#mero de unidades de transferencia ;+'= viene dado por ecuaciones de la formaG 4 la altura de una unidad de transferencia se calcula con eFpresiones tales comoG

7'[ altura de una unidad de transferencia de masa total. Dm[ velocidades del gas y líquido en mKs.

)[ area de la sección transversal de la torre ;m=

P"D [ coeficientes volumétricos de transferencia de masa en 0Kh. 2 [ presión en 8Km3

,.$._ C0LCULO DE CAIDA DE PRESI+N EN LA COLUMNA

._ DISE%O DE PLATOS PARA CONTADORES LIUIDO34APOR. )neFo +Y 3. ipos de empaqueG a= anillos $aschingI b=anillos Lessing, c=anillo de doble espiralI d= anillo metálico pallI e= anillo plastico pallI f= silla ceramica CerlI g= silla ceramica intaloFI h=silla plástica intaloFI i= silla metálica intaloFI != elleretteI M= tripaM   plásticoI l= tripaM metálicoI m= malla de maderaI n= seccion de empaque metálico eFpandidoI o= secciones de empaques metalicos ubicados alternativamenteI p= DE( estructura empacada ;\alas, 0QQQ=.

CONCLUSION 5I5LIO6RAF7A

72GKKD$'2"S.E()D*SE$."(K8*7E$"SK-S28L)S7A*EX] *-8*7E$"[99RRR

Figure

Actualización...

Referencias

Actualización...

Related subjects :