PLATOS DE FRACCIONAMIENTOLos 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 cargas de líquido, 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 vacío.

RELLENOS DESORDENADOSSon ampliamente utilizados en sistemas con bajas tasas de flujo de líquido, y su baja pérdida de carga también favorece su aplicación en sistemas de vacío. Otra aplicación muy común es en lechos de columnas de intercambio de calor y en las que funcionan con alta presión.

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

RELLENOS ORDENADOSRellenos ordenados son ampliamente utilizados en procesos que requieren pérdidas de carga muy pequenãs y alta eficiencia. Son los más comúnmente utilizados en sistemas de vacío, y otros sistemas no espumosos con bajo contenido de sólidos.

ESQUEMA

INTRODUCCIÓN 1._ TORRE DE COLUMNAS EMPACADAS2._ RELLENOS DESORDENADOS Y ESTRUCTURADOS.2.1._ ESTRUCTURA2.2._ RELLENOS DESORDENADOS3._ DISEÑO HIDRAULICO DE LA TORRE.3.1._ Flujo de una sola fase3.2._ Flujo de una dos fase4._ SELECCIÓN DEL RELLENO 5._ CALCULOS (ECUACIONES Y EJEMPLOS)5.1._ CÁLCULO DE DIAMETRO5.2._ CÁLCULO DE ALTURA5.3._ CÁLCULO DE CAIDA DE PRESIÓN EN LA COLUMNA 6._ DISEÑO DE PLATOS PARA CONTADORES LIQUIDO-VAPOR.

ANEXOS

CONCLUSIÓNBIBLIOGRAFÍA DESARROLLO

1._ TORRE DE COLUMNAS EMPACADAS

Las torres empacadas, utilizadas para el contacto continuo del líquido y del gas tanto en el flujo 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 abajo, a través del lecho empacado, de tal forma que expone una gran superficie al contacto con el gas

2._ RELLENOS DESORDENADOS Y ESTRUCTURADOS.

2.1._ ESTRUCTURALos arreglos de empaques, se clasifican principalmente en: Empaques al azar o aleatoriosConsiste en empaques, que no se disponen bajo ningún orden, sino simplemente se arrojan dentro de la torre.

Antes se utilizaban piedras, grava y materiales similares, pero estos no tienen áreas grandes ni espacios vacíos, y no resultaban adecuados debido a la pequeña superficie y malas características con respecto al flujo de fluidos; así que ahora se utilizan empaques fabricados, como anillos Rasching, sillas Berl, sillas Intalox, anillos de Lessing, anillos Pall (Flexirings), Hy-pal, Telleretes, entre otros. Todos estos tipos de empaques tienen sus propiedades determinadas y los materiales que manejen los fabricantes.

. Anillos tipo Rasching.

Los anillos de Rasching son cilindros huecos, cuyo diámetro va de 6 a 100 mm (l/4 a 4 pulgadas) o mas. Pueden fabricarse de porcelana industrial, que es útil para poner en contacto a la mayoría de los líquidos, con excepción de álcalis y ácido fluorhídrico; de carb6n, que es útil, excepto en atmósferas altamente oxidantes; de metales o de plásticos.

Los anillos de Lessing y otros con particiones internas se utilizan con menos frecuencia.

Los empaques con forma de silla de montar, los de Berl e Intalox y sus variaciones se pueden conseguir en tamaños de 6 a 75 mm (1/4 a 3 pulgadas); se fabrican de porcelanas químicas o plásticos.

Los anillos de Pall, también conocidos como Flexirings, anillos de cascada y como una variación los Hy-Pak, se pueden obtener de metal y de plástico.

Los Tellerettes y algunas de sus modificaciones se pueden conseguir con la forma que se muestra y en plástico. Generalmente, los tamaños más pequeños de empaques al azar ofrecen superficies específicas mayores (y mayores caídas de presión), pero los tamaños

mayores cuestan menos por unidad de volumen. A manera de orientación general: los tamaños de empaque de 25 mm o mayores se utilizan generalmente para un flujo de gas de 0.25 m3/s (ca. 500 ft3/min), 50 mm o mayores para un flujo del gas de 1 m3/s (2000 ft3/min). Durante la instalación, losempaques se vierten en la torre, de forma que caigan aleatoriamente; 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 DESORDENADOSAl diseñar columnas de relleno a escala industrial, debe realizarse un balance económico entre el coste de instalación y el material auxiliar de la columna por una parte, y los costes de funcionamiento, por otra. Generalmente, 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). Por tanto, es preciso seleccionar un relleno que proporcione una elevada superficie de contacto y un alto grado de turbulencia entre los fluidos. Normalmente esto se consigue a expensas de un incremento en los costes de inversión y/o en la caída de presión, debiendo realizarse el balance mencionado anteriormente.

La construcción de las torres es relativamente simple. Constan de una carcasa metálica(cerámica, vidrio, plástico, etc.), completamente vertical, en cuyo interior existe un soporte sobre el que descansa el relleno. Este soporte debe tener al menos el 75% del área libre para el paso del gas. El gas se introduce por la parte inferior, y el líquido por la superior, existiendo "distribuidores" para ambos, gas y líquido.Para torres altas, son necesarios platos de redistribución de líquidos, encontrándose en la bibliografía información para la separación entre ellos, según el relleno.Finalmente, indicar que las columnas presentan tamaños muy distintos, según sean las operaciones a efectuar: desde 2,5 cm hasta 4,5 m de diámetro, y hasta 30 m de altura.

En cuanto a los rellenos, pueden dividirse en tres grandes clases:

a) Sólidos troceados: son los más baratos y se utilizan en tamaños muy distintos. Ofrecen buena resistencia a la corrosión, pero son menos satisfactorios en cuanto al flujo del líquido o a la superficie efectiva para la transferencia. No son rellenos uniformes con porosidad constante, (riesgo de canalizaciones).

b) Rellenos de una forma determinada: Son los más comunes en las plantas químicas (anillos Raschig, Pall, Lessing, monturas Berl, etc., y los más recientes, anillos Mini, monturas Intalox, Hy-Pak, etc.). Presentan una gran eficacia y una baja caída de presión, encontrándose disponibles en una amplia gama de tamaños y materiales. Presentan menos riesgo de canalizaciones y mejor distribución de líquidos, pero son más caros, sobretodo los de menor tamaño.

El tamaño del relleno utilizado influye en la altura y el diámetrode la columna, y en la caída de presión y coste del relleno. Generalmente, al aumentar el tamaño 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) Rellenos de rejilla: Fáciles de fabricar, se utilizan normalmente para columnas de sección cuadrada. También se construyen de diversos materiales, originando bajas caídas de presión debido a los espacios libres entre rejillas. Son fáciles de montar, pudiéndose utilizar para suspensiones.El principal problema que presentan es la mala distribución de líquidos para flujos elevados, porque se forman canalillos, y no gotas.

3._ DISEÑO HIDRAULICO DE LA TORRE.Un 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 flujo mayor que la que se presentaría en una coraza vacía.

3.1._ Flujo de una sola faseSi solamente una fase, liquida o gaseosa, fluye a través del lecho empacado, el sistema puede tratarse con base en la teoría de flujo de fluidos a través de lechos de sólidos granulares.

Cuando un gas o un líquido fluyen a través de un lecho, es forzado a seguir una serie de canales irregulares formados por los intersticios entre las partículas solidas que lo conforman. La caída de presión depende del tamaño y elarreglo de estas últimas, así como de la velocidad, densidad y viscosidad del fluido, A velocidades suficientemente bajas la caída de presión, APd, es proporcional a la velocidad, como lo expresa la ecuación de Darcy para agua que fluye en un lecho de arena: Donde u es la velocidad determinada sobre la sección transversal total del lecho y K es una constante, llamada coeficiente de permeabilidad del lecho.

Diámetros de partícula y flujos bajos conducen a números de Reynolds característicos de flujo laminar, condición bajo 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 pequeñas. Este coeficiente de arrastre es inversamente proporcional al número de Reynolds.La relación lineal entre la caída de presión y la velocidad es análoga a la ecuación de Poiseville para el flujo en un tubo vacio:

3.2._ Flujo de una dos faseLa hidráulica del flujo de dos fases en torres empacadas puede abordarse de diferentes formas. Una primera aproximación es considerarlo como una extensión del flujo en una sola fase. También puede abordarse como una modificación al flujo de dos fases en una tubería o como una combinación de las dos. Una opción más reciente, especialmente para el flujo a través de empaques estructurados, consiste en el modelamiento de los caminos de flujo para ambas fases y en la solución de las expresiones de transporte de cantidad de

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

Régimen de flujo: En una torre empacada que opera a contracorriente pueden identificarse diferentes regímenes de operación. Kister (1990 Y 1992) presenta los siguientes regímenes de flujo con relación a la gráfica velocidad del gas en función de la caída de presión:

Curva característica de caída de presión. (Adaptada a Kister 1990 y Fair 1997) Régimen de Caída Insuficiente: a bajas velocidades de líquido, la torre se comporta esencialmente como si el empaque estuviera seco; esto es, la caída de presión en la columna es casi la misma que en el flujo de una sola fase (región a la derecha de A). Por supuesto, no se logra una distribución adecuada del líquido sobre el empaque, ni el humedecimiento total de su superficie. Adicionalmente como muestra Stichlmair y Fair (Stichlmair y Fair, 1998), 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. También se ha establecido que existe una velocidad mínima de flujo de líquido, por debajo de la cual la película de líquido no es estable y por consiguiente la eficiencia de transferencia de masa es muy baja.

Régimen de Precarga: la mayoría de los empaques se diseñan para operar en esta región, en la cual la eficiencia de la columna es independiente de la velocidad de flujo del gas, y la caída de presión se incrementa uniformemente con la misma (región entre A-B y A`- B`).

Región de operaciónde una torre empacada. (Stichlmair, 1998) Régimen de Carga: cuando las columnas operan bajo este régimen (región sombreada entre B-C y B´-C´) alcanzan la máxima eficiencia; sin embargo se recomienda diseñar con las debidas precauciones, ya que algunas formas de inestabilidad podrían conducir fácilmente a la condición de inundación, dada la vecindad existente entre estos dos regímenes.

Régimen de Inundación: esta región se caracteriza por la inestabilidad, la conversión del líquido en la fase continua, el arrastre excesivo de líquido por el gas ascendente y una pobre eficiencia. Se considera el límite superior de operación de la columna (línea C´-C´ hacía arriba).

Adicionalmente se ha reportado (Kister, 1990 y 1992) la existencia de un punto de operación estable por encima de la región de inundación (línea D-D'), en el cual la torre opera básicamente como una columna de burbujeo.

4._ SELECCIÓN DEL RELLENO En la siguiente figura se comparan los empaquen al azar y estructurados de manera análoga a lo presentado; los empaques estructurados ofrecen mayor área superficial específica y por consiguiente mayor eficiencia. De 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.

Comparación entre empaques al azar y empaques estructurados. (Kister, 1992)

En general los empaques estructurados tienen mayor eficiencia y capacidad y presentan menor caída de presión por plato teórico que los empaques al azar.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 ventaja sobre los empaques al azar (kister, 1992).

Cuando se requiere manear fluidos con sólidos que tienden a formar depósitos, no es aconsejable el uso de empaques estructurados. En sistemas corrosivos u oxidantes el material de los empaques en hoja corrugada debe ser muy bien seleccionado, ya que típicamente se fabrican en láminas con calibres entre 30 (0.254 mm) y 20 (0,79375 mm), por debajo del espesor normal de tolerancia a la corrosión (3 mm). Además debe tenerse en cuenca el alto costo de los empaques estructurados, 3 a 10 veces mayor que el de los empaques al azar de 2 pulgadas (kister, 1992), aún 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 auxiliares (condensadores, compresores o bombas de vacio).

A continuación se presenta una lista de criterios a considerar en la evaluación y selección de empaques (kister, 1992): Elevada área superficial especifica; esto es elevada área superficial por unidad de volumen de lecho empacado. Distribución uniforme del área superficial. Geometría tal que promueva la distribución uniforme de las fases. baja retención estática, dado que el líquido estancado contribuye muy poco a la transferencia de masa y desperdicia superficie de empaque. Máxima superficie humectable, debido a que sólo elárea humedecida es efectiva para la transferencia de masa. Alta fracción vacía, con el propósito de reducir la resistencia al flujo. Baja fricción, lo cual se promueve coa una estructura abierta y aerodinámica. Resistencia baja y uniforme al flujo a través del lecho, lo cual depende de la geometría del empaque y de la homogeneidad en la porosidad del lecho. Forma tal que induzca turbulencia para favorecer los fenómenos de transferencia. Fácil separación de las fases, condición especialmente importante en servicios a elevada presión y altas velocidades de flujo. Capacidad para manejar variadas cargas de líquido y de gas sin cambios significativos en la eficiencia. Resistencia a la deformación mecánica y al rompimiento. Inercia química frente a las sustancias con las cuales se trabaje, bajo las condiciones de operación. Resistencia apropiada a las temperaturas de operación y en especial, a los choques térmicos. Peso liviano, para lograr un mínimo empuje lateral y fácil manipulación. Bajo costo.

5._ CALCULOS (ECUACIONES Y EJEMPLOS)

5.1._ CÁLCULO DE DIAMETROEl diámetro de una torre empacada se determina, en general, por su comportamiento hidráulico. En el proceso de diseño de una columna son muchas las variables involucradas y el número de grados de libertad siempre es mayor que cero, por lo que el diseñador debe definir algunas especificaciones.

La condición de diseño, velocidad o caída de presión del gas se establece de forma tal que la columna opere lo más cerca de la condición de máxima eficiencia, perosuficientemente aleada de la región en la que esta disminuye rápidamente. Para ello se ofrecen diversas recomendaciones basadas en la experiencia y que involucran la determinación de la condición de inundación, de la capacidad máxima de operación o de la caída de presión.

De acuerdo con lo anterior las torres empacadas usualmente se diseñan para operar entre el 70 y el 80 % (Kister, 1992) de la velocidad del gas que corresponde al punto de inundación. Strigle recomienda diseñar las torres empacadas con un margen del 10 al 20 % de su capacidad máxima de operación y esta le encuentra alrededor de un 5 % por debajo del punto de inundación (Strigle, 1994), lo cual equivale a diseñar entre el 76 y el 86 % de la velocidad de inundación. La siguiente tabla destaca algunos criterios de máxima caída de presión:

Operación/Sistema Máxima Caída de (Pa/m). Destilación AtmosféricaMedia a baja presiónAlta presión Al vacíoSistemas espumantes Absorción Sistemas no espumantesSistemas espumantesCon aminasCarbonato calienteSecado de cloroAbsorción de SO3 AtmosféricaA presión.Regeneración De gas inerte en sistemas espumantesDe vapor en sistemas espumantesDe aminasCarbonato caliente Despojadores Con aguaCon liquido diferente al agua Sistemas espumantes 410 – 820 410 – 820

CP1 F 0.7 (ΡL / ΡW)1 40 – 8080 – 200200 – 32520020025080 – 120200 – 250160 – 325410 – 820200250250325500325290

Tabla Nº 1. Máxima caída de presión recomendada para columnas empacadas (Kister, 1992).

5.2._ CÁLCULO DE ALTURA

La altura de una columna empacada depende de los requerimientos de separación y de la eficiencia del empaque. Para 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.

Altura Equivalente a un Plato Teórico: una forma de evaluar la eficiencia de un empaque es mediante el concepto de altura equivalente a un plato teórico (HETP, de las siglas en inglés). Dado un sistema puede determinarse el número de platos teóricos (n) para lograr la separación requerida por cualquiera de los métodos disponibles (matriz tridiagonal, métodos de relajación, entre otros) de manera tal que, conocida la HETP, la altura de la torre se evalúa como:Z= N (HETP)

Para determinar la HETP se han propuesto diferentes correlaciones: Strigle, 1994 y Whaley, 1999.La HETP depende de:- tipo ytamaño del empaque- naturaleza fisicoquímica de los componentes de la mezcla- flujo del gas Altura de una Unidad de Transferencia: una mejor aproximación 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 número de unidades de transferencia (NTU) viene dado por ecuaciones de la forma:

Y la altura de una unidad de transferencia se calcula con expresiones tales como:HTU= altura de una unidad de transferencia de masa total.Gm= velocidades del gas y líquido en m/s.AT= area de la sección transversal de la torre (m)KOG = coeficientes volumétricos de transferencia de masa en 1/h.P = presión en F/m2

5.3._ CÁLCULO DE CAIDA DE PRESIÓN EN LA COLUMNA

6._ DISEÑO DE PLATOS PARA CONTADORES LIQUIDO-VAPOR. Anexo Nº 2. Tipos de empaque: a) anillos Rasching; b)anillos Lessing, c)anillo de doble espiral; d) anillo metálico pall; e) anillo plastico pall; f) silla ceramica Berl; g) silla ceramica intalox; h)silla plástica intalox; i) silla metálica intalox; j) Tellerette; k) tripak plástico; l) tripak metálico; m) malla de madera; n) seccion de empaque metálico expandido; o) secciones de empaques metalicos ubicados alternativamente; p) GEM estructura empacada (walas, 1999).

CONCLUSION 

BIBLIOGRAFÍA

HTTP://GRUPOS.EMAGISTER.COM/FICHEROS/DSPFLASHVIEW?IDFICHERO=44888

http://www.scielo.cl/scielo.php?pid=S0718-07642004000100003&script=sci_arttext