República Bolivariana De Venezuela Ministerio Del Poder Popular Para La Educación Superior Universidad Nacional Experimental “Rafael María Baralt”
Programa Ingeniería y Tecnología Proyecto Ingeniería de Gas Fraccionamiento
PRESENTADO A: Ing. Yurani Lugo
PRESENTADO POR: Ana Romero C.I. 21.043.631 Carlos Bermúdez C.I. 19.409.588 Christian Marchena C.I. e- 1.043.002.298 Cruz Gutiérrez C.I. 20.084.358 Edgar Zarraga C.I. 20.802.345 Manuel Jiménez C.I.e- 726.010
Puertos de Altagracia, Estado Zulia, Noviembre de 2012
INTRODUCCIÓN La etapa de producción de un campo productor de hidrocarburos comienza después de cumplirse tres pasos esenciales: el primero es la comprobación de la existencia de yacimientos de hidrocarburos y la perforación de pozos exploratorios, seguidamente se determina el área del yacimiento o yacimientos descubiertos por los pozos exploratorios y por último se hace un estudio económico donde se relaciona el valor comercial del volumen recuperable estimado de hidrocarburos con las inversiones necesarias para producirlos. El nuevo campo toma forma paulatinamente y muy pronto podrán distinguirse los componentes fundamentales del sistema de producción, los cuales son: el yacimiento, los pozos, las tuberías de flujo, las estaciones de recolección, las tuberías de recolección, las plantas comprensoras de gas y el patio de tanques. Bajo ciertas condiciones, será necesario añadir plantas de tratamiento de petróleo y gas e instalaciones de recuperación secundaria y mejorada.
Durante sus inicios, la industria petrolera y gasífera se dedicó a producir exclusivamente kerosén, el cual lo empleaban para la iluminación y cuyo porcentaje de producción requería un bajo porcentaje de materia prima para producirlo. Posteriormente a esto ocurrieron acontecimientos importantes en el desarrollo de la ciencia y tecnología. Comenzó el desarrollo de los vehículos con motores de combustión interna, los experimentos con electricidad y electrónica estimularon el uso práctico de esos fenómenos y las investigaciones químicas abrieron un amplio campo de posibilidades industriales.
Hoy en día se cuentan por miles los productos derivados del gas natural petróleo y bitumen y no existe actividad humana en la cual no tengan participación, la energía o la versatilidad química de los hidrocarburos. En la refinería, una especia de bosque mecánico, se combina el arte, la ciencia y la técnica, en donde el hidrocarburo que se extrae del subsuelo es transformado en productos terminados y materias primas que van a ser utilizadas en otras manifestaciones del talento creativo y el esfuerzo del ser humano. Toda esta materia prima es tratada en diferentes procesos industriales, para así obtener dichos productos. Uno de los procesos más empleados pata tal fin, es el fraccionamiento, que consiste en separar o destilar la materia prima, para a diferentes temperaturas y presiones obtener un producto; este fraccionamiento, se lleva a cabo, en una torre de fraccionamiento, la más común es la torre de platos, en donde el líquido y el gas se ponen en contacto en forma de pasos sobre platos, y así poder destilar los diferentes componentes de la materia prima. Los platos pueden ser de diferentes formas y contener diferentes objetos, pero el más empleado hoy en día en la industria es el plato perforado, los cuales pueden ser usados en casi todos los servicios de destilación, incluyendo los sistemas donde hay transferencia de calor. Pueden ser diseñados para operar satisfactoriamente dentro de una amplia variedad de condiciones de operación.
TORRES O COLUMNA DE PLATOS Definición y Diseño: Las torres de platos son cilindros verticales en que el líquido y el gas se ponen en contacto en forma de pasos sobre platos o charolas. El líquido entra en la parte superior y fluye en forma descendente por gravedad. En el camino, fluye a través de cada plato y a través de un conducto, al plato inferior. El gas pasa hacia arriba, a través de orificios de un tipo u otro en el plato; entonces burbujea a través del líquido para formar una espuma, se separa de la espuma y pasa al plato superior. El efecto global es un contacto múltiple a contracorriente entre el gas y el líquido, aunque cada plato se caracteriza por el flujo transversal de los dos. Cada plato en la torre es una etapa, puesto que sobre el plato se ponen los fluidos en contacto íntimo, ocurre la difusión interfacial y los fluidos se separan. El número de platos teóricos o etapas en el equilibrio en una columna o torre sólo depende de lo complicado de la separación que se va a llevar a cabo y sólo está determinado por el balance de materia y las consideraciones acerca del equilibrio. La eficiencia de la etapa o plato y por lo tanto, el número de platos reales se determina por el diseño mecánico utilizado y las condiciones de operación.
Por otra parte, el diámetro de la torre depende de las cantidades de líquido y gas que fluyen a través de la torre por unidad de tiempo. Una vez que se ha determinado el número de etapas en el equilibrio o platos teóricos requeridos, el problema principal en el diseño de la torre es escoger las dimensiones y arreglos que representarán la mejor combinación de varias tendencias opuestas; en efecto,
por lo general las condiciones que llevan a elevadas eficiencias de platos también conducen finalmente a dificultades en la operación. Con el fin de que la eficiencia de etapas o platos sea elevada, el tiempo de contacto debe ser largo (de tal forma que se permita que suceda la difusión) y la superficie interfacial entre las fases debe ser grande; además, se requiere que la turbulencia sea de intensidad relativamente alta para obtener elevados coeficientes de transferencia de masa. Con el fin de que el tiempo de contacto sea prolongado, la laguna líquida sobre cada plato debe ser profunda, de tal modo que las burbujas de gas tarden un tiempo relativamente largo para ascender a través del líquido. Cuando el gas se burbujea lentamente a través de los orificios en el plato, las burbujas son grandes, la superficie interfacial por unidad de volumen de gas es pequeña, el líquido está relativamente tranquilo y gran parte del mismo puede pasar sobre el plato sin siquiera haberse puesto en contacto con el gas. Por el contrario, cuando la velocidad del gas es relativamente elevada, se dispersa totalmente en el líquido, el cual a su vez es agitado hasta formar una espuma. Esto proporciona áreas interfaciales grandes. Por lo tanto, para que los platos sean de eficiencia elevada, se requieren lagunas profundas del líquido y velocidades relativamente elevadas del gas.
Sin embargo, estas condiciones provocan varias dificultades. Una dificultad, es la entrada mecánica de gotas del líquido en la corriente ascendente del gas. A velocidades elevadas del gas, cuando el gas se desprende de la espuma, pequeñas gotas del líquido serán acarreadas por el gas al plato superior. El líquido acarreado en esta forma hacia la parte superior de la torre, reduce el cambio de concentración que se realiza mediante la transferencia de masa y, en consecuencia, afecta la eficiencia del plato. De esta manera, la velocidad del gas puede limitarse por la reducción en la eficiencia del plato debida al arrastre del líquido en forma de gotas. Más aún, tanto las profundidades elevadas del líquido como las velocidades elevadas del gas producen una caída elevada de presión del gas cuando éste fluye a través del plato; esto a su vez acarrea varias dificultades. En el caso de los absolvedores y humidificadores, una caída alta de presión eleva la potencia del ventilador para empujar o arrastrar el gas a través de la torre y, en consecuencia, se eleva el costo de operación. En el caso de la destilación, la presión elevada en el fondo de la torre crea altas temperaturas de ebullición, lo que a su vez ocasiona dificultades en el calentamiento y, posiblemente, daños a compuestos sensibles al calor. Finalmente, aparecen las dificultades puramente mecánicas. La caída alta de presión puede llevar directamente a inundaciones . Con una diferencia elevada de presión en el espacio entre los platos, el nivel del líquido que abandona un plato a presión relativamente baja y entra a otro plato con presión alta, necesariamente debe ocupar una posición elevada en las tuberías de descenso. Al aumentar la diferencia de presión debido al aumento en la rapidez de flujo del gas o del líquido, el nivel en la tubería de descenso aumentará más aún para permitir que el líquido entre en el plato inferior. Finalmente, el nivel del líquido puede alcanzar el nivel del plato inferior. Un incremento mayor, ya sea en el de flujo del gas o del líquido, agrava rápidamente la condición, y el líquido puede llenar todo el espacio entre los platos. Entonces, la torre queda inundada, la eficiencia de los platos disminuye a un valor muy bajo, el flujo del gas es errático y el líquido puede forzarse hacia la tubería de salida en la parte superior de la torre.
CARACTERÍSTICAS GENERALES: Ciertas características del diseño son comunes a los diseños utilizados más frecuentemente; se tratarán inicialmente esas características.
Cubiertas y platos: La torre puede fabricarse de diferentes materiales, según las condiciones de corrosión encontradas. Se utilizan vidrio, metales vidriados, carbón impermeable, plásticos y aun madera, pero con mayor frecuencia metales. Para torres metálicas, las cubiertas son generalmente cilíndricas, debido a su costo. Con el fin de facilitar la limpieza, las torres de diámetro pequeño tienen orificio para las manos; las de diámetro grande tienen entradas para una persona, cada décimo plato aproximadamente.
Los platos generalmente están hechos de hojas metálicas y, si es necesario, de aleaciones especiales; el espesor depende de la rapidez de corrosión prevista. Los platos deben endurecerse y sujetarse; deben unirse a la cubierta, con el fin de prevenir el movimiento debido a oleadas de gas; de esa manera, se permitirá la expansión térmica. Esto puede lograrse utilizando anillos para soportar los platos que tengan orificios con cerraduras de ranura (mediante los anillos se sujetan los platos). Los platos grandes deben tener entradas para personas de forma que un hombre pueda trepar de un plato a otro para hacer reparaciones o limpieza. Los platos deben instalarse en forma nivelada dentro de un rango de 6 mm (1/4 in) para favorecer una buena distribución del líquido.
Espaciamiento entre los platos: Generalmente, el espaciamiento entre los platos se escoge con base en la facilidad para la construcción, mantenimiento y costo; posteriormente se verifica para evitar cualquier inundación y arrastre excesivo del líquido en el gas. Para casos especiales en que la altura de la torre es de importancia, se han usado espaciamientos de 15 cm (6 in). Para todos los diámetros, excepto para los diámetros más pequeños de la torre, parece que 50 cm (20 in) es un mínimo aceptable desde el punto de vista de la limpieza de los platos.
Diámetro de la torre: El diámetro de la torre y, en consecuencia, su área transversal debe ser lo suficientemente grande para manejar el flujo del gas y del líquido dentro de la región de operación satisfactoria. Con respecto a un tipo dado de plato en la inundación, la velocidad superficial del gas V, (flujo volumétrico del gas Q/sección transversal neta para el flujo A) está relacionada con las densidades del fluido mediante
La ecuación es empírica: el valor de C, depende, tanto de las unidades utilizadas como del diseño del plato.
La sección transversal neta A, es la sección transversal de la torre A, menos el área tomada en las tuberías de descenso (A en el caso de un plato de flujo transversal). CF es una constante empírica, cuyo valor depende del diseño del plato. Valores apropiadamente pequeños de V se utilizan en el diseño real; para líquidos que no hacen espuma, es normal un valor del 80 al 85% de V, (75 por ciento o menos para líquidos que hacen espuma), valor sujeto a verificación con respecto a las características de arrastre del líquido en el gas y a la caída de presión. Ordinariamente, el diámetro escogido de esta forma será adecuado, aunque ocasionalmente el flujo del líquido puede ser una limitación. Un plato de flujo transversal de un solo paso bien diseñado puede generalmente manejar hasta 0.015 m3/s de líquido por metro de diámetro de torre (q/T = 0.015 m3/m. s = 0.165 ft3/ft. s). En la mayoría de las instalaciones, el costo hace impráctico variar el diámetro de la torre de un lado a otro de la misma para ajustar variaciones en el flujo del gas o del líquido; se utilizan las cantidades máximas de flujo para fijar un diámetro uniforme. Cuando la variación en los flujos son tales que se indican un 20 por ciento de diferencia en el diámetro para la sección superior e inferior, dos diámetros pueden resultar probablemente económicos.
El diámetro requerido de la torre puede disminuirse utilizando un mayor espaciamiento de los platos, de tal forma que el costo de la torre, que depende tanto de la altura como del diámetro, se vuelve mínimo con cierto espaciamiento óptimo.
Vertederos: El líquido se lleva de un plato al siguiente mediante los vertederos. Estos pueden ser tuberías circulares o, de preferencia, simples partes de la sección transversal de la torre eliminadas para que el líquido fluya por los platos verticales. Puesto que el líquido se agita hasta formar una espuma sobre el plato, debe permitirse que permanezca un tiempo adecuado en el vertedero para permitir que el gas se separe del líquido, de tal forma que sólo entre líquido claro en el plato inferior. El vertedero debe colocarse lo suficientemente cerca del plato inferior como para que se una al líquido en ese plato; así se evita que el gas ascienda por el vertedero para acortar el camino hacía el plato superior. Pueden utilizarse recipientes cerrados o diques de retención (represas interiores), pero es mejor evitarlos, especialmente si existe tendencia a acumular sedimentos. Si se utilizan dichos recipientes, deben utilizarse orificios de goteo (pequeños orificios a través del plato) en los diques de retención para facilitar el desalojo de la torre cuando no se utiliza.
Derramaderos: La profundidad del líquido sobre el plato, requerida para el contacto con el gas, se mantiene mediante un derramadero, que puede ser o no una continuación del plato de descenso. Los derramaderos rectos son los más comunes; los derramaderos de ranuras múltiples en V mantienen una profundidad del líquido que es menos sensible a las variaciones en el flujo del líquido y en consecuencia, también al alejamiento del plato de la posición nivelada; las represas circulares, que son extensiones de las tuberías circulares utilizadas como vertederos, no se recomiendan. Los derramaderos interiores pueden ocasionar el salto hidráulico del líquido y generalmente no se recomiendan. Con el fin de asegurar una distribución razonablemente uniforme del flujo del líquido en un plato de un paso, se utiliza un diámetro de derramadero de 60 a 80 por ciento del diámetro de la torre.
Flujo del líquido: El flujo inverso puede utilizarse en torres relativamente pequeñas, pero hasta ahora el rearreglo más común es el del plato de flujo transversal de un solo paso. Para torres de diámetro grande, puede utilizarse el flujo radial o dividido, aunque se debe tratar de utilizar el plato de flujo transversal debido a su menor costo. Los platos equipados con capuchas, que requieren que el líquido fluya grandes distancias, llevan a gradientes indeseables de profundidad del líquido. Para torres con diámetros muy grandes que contienen este tipo de platos, se han utilizado diámetros de cascada con varios niveles, cada uno de los cuales posee su propio derramadero, pero su costo es considerable. Se han construido columnas comerciales hasta de 15 m (50 ft) de diámetro. Los platos de doble paso son comunes para diámetro de 3 a 6 m; hay platos de más pasos para diámetros mayores.
CAPACIDAD DE UNA TORRE O COLUMNA DE PLATOS La máxima capacidad de un plato para el manejo de los fluidos de gas y de líquido tiene gran importancia, porque determina el mínimo diámetro posible en la columna. Para un caudal de líquido constante, el aumento de la velocidad del gas produce arrastre excesivo e inundación. En el punto de inundación es difícil obtener un descenso neto del líquido y cualquier cantidad añadida a la columna será arrastrada por el gas de cabeza. También se puede llegar a inundación aumentando la velocidad de líquido mientras se mantiene la del gas constante. El caudal excesivo de líquido puede sobrepasar la capacidad de los bajantes u otros conductos, con el resultado de un aumento de del contenido del líquido, mayor caída de presión y demás características propias de la condición de inundación. La mínima capacidad admisible de una columna de platos está determinada por la necesidad de obtener una dispersión eficaz y un buen contacto entre las fases. Los distintos tipos de platos difieren en su capacidad para admitir caudales bajos de gas y de líquido. Un plato de malla con flujo cruzado puede actuar con un caudal gas reducido hasta un punto en que el líquido drena a través de las
perforaciones y la dispersión del gas es inadecuada para obtener una buena eficacia. Los platos de válvulas pueden operar con caudales de gas muy bajos, gracias al cierre de las válvulas. Para todos los dispositivos existe un caudal mínimo de gas por debajo del cual se produce una dispersión inadecuada para obtener el contacto íntimo entre fases.
ACCIÓN DE UN PLATO IDEAL En un plato ideal, por definición, el líquido y el vapor que salen del plato se encuentran en equilibrio. Considere en solo plato en una columna en una cascada de platos ideales. Suponga que los platos se enumeran en serie desde la parte superior (destilado) hasta la parte inferior (residuo) de la columna y que el plato que se considera es el número n partiendo desde la parte superior. Por lo tanto, el plato inmediatamente superior es el plato n-1 y el inmediatamente inferior es el plato n+1. Los subíndices representan en todos los casos el punto de origen de la magnitud correspondiente. En el plato n entran dos corrientes de fluido y salen otras dos. Una corriente de líquido Ln-1 mol/h, procedente del plato n-1 y una corriente de vapor Vn+1 mol/h, procedente del plato n+1, se ponen en contacto íntimo. Una corriente de vapor Vn mol/h asciende hacia el plato n-1 una corriente de líquido Ln mol/h, desciende hacia el plato n+1. Puesto que las corrientes de vapor son la fase V, y sus concentraciones se representan por x. Por lo tanto, las concentraciones de las corrientes que entran y salen del plato n son las siguientes: Vapor que sale del plato yn Líquido que sale del plato xn Vapor que entra en el plato yn+1 Líquido que entra en el plato xn-1 Según la definición de un plato ideal, el vapor y el líquido que salen del plato n están en equilibrio, de forma que xn y yn representan concentraciones de equilibrio. El vapor es enriquecido en el componente más volátil a medida que asciende por la columna, y el líquido disminuye en A a medida que el flujo desciende. Por lo tanto, las concentraciones de A en ambas fases aumentan con la altura de la columna; xn-1 es mayor que xn, y yn es mayor que yn+1. Aunque las corrientes que salen del plato de equilibrio, las que entran no lo están. Cuando el vapor procedente del plato n+1 y el líquido procedente del plato n-1 se ponen en contacto, sus concentraciones tienden hacia el equilibrio. Parte del componente más volátil A se vaporiza desde el líquido disminuyendo la concentración del líquido desde xn-1 hasta xn; y algo del componente menos volátil B se condensa desde el vapor, aumentando la concentración de vapor desde yn+1 hasta yn. Puesto que las corrientes de líquido están a sus puntos de burbuja y las corrientes de vapor a sus puntos de rocío, el calor liberado en la condensación del componente B suministra calor necesario para vaporizar el componente A. Cada plato de la cascada actúa como un aparato de intercambio en el que el componente A se transfiere hacia la corriente de vapor y el componente B hacia la corriente del líquido. Por otra parte, puesto que la concentración de A, tanto en el
líquido como en el vapor, aumenta con la altura de la columna, la temperatura disminuye y la temperatura del plato n resulta ser mayor que la del plato n-1 y menor que la del plato n+1
COMBINACIÓN DE RECTIFICACIÓN Y AGOTAMIENTO Para obtener productos prácticamente puros, tanto en la parte superior como la parte interior de la columna de destilación, la alimentación se introduce en un plato de la parte central de la columna. Si la alimentación es líquida, desciende por la columna hacia el hervidor y se agota en el componente A por el vapor que asciende desde el hervidor. Por este medio se obtiene un producto residual, que es el componente B casi puro. La columna A se alimenta cerca de su parte central con un flujo de alimentación constante de concentración definida. Suponga que la alimentación es un líquido a su temperatura de ebullición. El plato en el que se introduce la alimentación recibe el nombre de plato de alimentación. Todos los platos que se encuentran por encima del plato de alimentación constituyen la sección (zona) de rectificación, mientras que todos los platos por debajo de la alimentación, incluyendo también el plato de la alimentación, constituyen la sección (zona) de agotamiento. La alimentación desciende por la sección de agotamiento hasta el fondo de la columna, donde se mantiene un nivel definido de líquido. El líquido fluye por gravedad hasta el hervidor B, que es un vaporizador calentado con vapor de agua que genera vapor y lo devuelve al fondo de la columna. El vapor asciende por toda la columna. En el extremo del intercambiador de calor hay un vertedero. El producto residual se retira desde la masa de líquido en el lado de la corriente descendente del vertedero y circula a través del enfriador G. Este enfriador también precalienta la alimentación mediante el intercambio de calor con los residuos calientes. Los vapores que ascienden a través de la sección de rectificación se condensan totalmente en el condensador C, y el condensado se recolecta en el acumulador D, en el que se mantiene un nivel definido. La bomba de reflujo F toma el líquido del acumulador y lo descarga en el plato superior de la torre. Esta corriente de líquido recibe el nombre de reflujo. Constituye el líquido que desciende por la sección de rectificación que se requiere para interaccionar con el vapor que asciende. Sin el reflujo no habría rectificación en esta sección de la columna, y la concentración del producto de destilado no sería mayor que la del vapor que asciende del plato de alimentación. El condensado que no es recogido por la bomba de reflujo se enfría en el intercambiador de calor E, llamado enfriador de producto, y se retira como producto destilado. Si no se forman azeótropos, los productos destilados y residual pueden obtenerse con cualquier pureza deseada siempre y cuando haya suficientes platos y se utilice un reflujo adecuado. En lugar del hervidor puede instalarse un serpentín de calentamiento en el fondo de la columna para generar vapor desde la masa del líquido. A veces el condensador se sitúa encima de la parte superior de la columna y se suprimen el acumulador y la bomba de reflujo. En este caso el reflujo retorna por gravedad al plato superior. Una válvula especial, llamada divisor del reflujo, se utiliza para
controlar la velocidad de retorno del reflujo. El resto del condensado constituye el producto destilado.
FUNCIONAMIENTO DE LA TORRE DE PLATOS El funcionamiento de toda columna de destilación se basa en que existe un vapor que asciende por la columna el cual se encuentra con un líquido que desciende, entonces se produce una transferencia de materia y energía en cada etapa (bien sea un plato o una porción de relleno). Aunque la alimentación sea un líquido subenfriado, el vapor aparece como consecuencia del hervidor situado en la parte inferior de la columna, hay que tener en cuenta que los únicos aportes de calor a lo largo de la columna se realizan en el hervidor y en el condensador. El vapor, a medida que se aproxima a la parte superior de la columna, se enriquece en los componentes volátiles de la mezcla, mientras que el líquido que circula en contracorriente arrastra los componentes más pesados. Las corrientes que salen de cada etapa se encuentran en equilibrio pero las que entran no lo están. Las corrientes de líquido están en sus puntos de burbuja y las corrientes de vapor en sus puntos de rocío, por tanto se produce un intercambio calorífico entre ambas corrientes. Para determinar las composiciones de cada corriente se pueden usar diagramas semejantes al que se muestra:
Por otro lado hay que destacar la importancia del reflujo en una columna de destilación ya que si no resultaría imposible conseguir una concentración en el producto de cabeza mayor que en la alimentación. Se tiene un reflujo mínimo que es la cantidad mínima necesaria que se debe retornar a la columna para que se verifique la separación y un reflujo máximo o reflujo total para el cual todo el producto de cabeza se recicla a la columna. Normalmente existe un reflujo óptimo para el cual la eficacia es máxima. La mayoría de columnas están
diseñadas para trabajar con una relación entre el reflujo mínimo y el óptimo de 1,1 a 1,5. Se puede emplear un condensador parcial o uno total para la destilación. La elección depende de la pérdida de carga del acumulador de reflujo, así como de otras características del proceso. Se recomienda la utilización de un condensador total si la pérdida de carga es aproximadamente de 1,48 MPa y si ésta es superior, entre 1,48 y 2,52 MPa, se usará un condensador parcial. Generalmente la operación de absorción de gases, igual que en otras operaciones básicas, como pueden ser la desorción y la rectificación, se realizan en columnas que son iguales que en el caso de una torre o columna de absorción con relleno. Son cuerpos cilíndricos dispuestos en posición vertical. En su interior se pueden encontrar unos dispositivos (bandejas, platos,…) el objeti vo principal de estos platos es proporcionar una gran superficie de contacto entre las dos fases: la fase gaseosa y la fase líquida. Los platos o bandejas se ponen en contacto con la fase líquida y el gas en contracorriente. Lo que transcurre es una transferencia de materia a causa del gradiente de concentración.
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE DESTILACIÓN El proceso de destilación consiste en introducir dentro de la torre de destilación la alimentación multicomponente (metanol-agua, mezcla de hidrocarburos, etc.). En el tope de la columna se obtiene una mezcla de los componentes más livianos en fase vapor, la cual se condensa al pasar a través de un condensador, donde una parte de este condensado se retorna de nuevo a la torre y el resto es el destilado producto de la operación. En el fondo de la columna se obtiene una mezcla de los productos más pesados en fase líquida, este líquido se introduce en un rehervidor, en donde se evapora por medio de un condensador tipo parcial, este vapor es retornado a la torre de destilación y el líquido sobrante es el residuo producto de la destilación. El condensador en la torre de destilación puede ser total, parcial o mixto, ya sea que el destilado se necesite en fase vapor o en fase líquida respectivamente. En un condensador total, todo el vapor a la salida de la torre es condensado, y posteriormente se separa, donde una parte del líquido se regresa a la torre (reflujo) y la otra es el producto deseado. En un condensador parcial o mixto se obtiene una mezcla líquido-vapor en equilibrio, que luego entra a un separador. En el condensador parcial, el destilado es exclusivamente vapor, mientras que todo el líquido que sale del separador regresa como reflujo a la torre, mientras que para el condensador mixto, el destilado es tanto líquido como vapor, y una parte del líquido se regresa a la torre como reflujo. El reflujo siempre debe entrar a la columna en fase líquida.
De la columna de destilación, se puede conocer las composiciones en fase vapor de los productos que salen por el tope, así como también su presión y por ende su temperatura, datos que son necesarios para llevar a cabo el diseño del condensador. De la misma manera, deben conocerse de antemano, los requerimientos del destilado, para trabajar con el tipo de condensador necesario (total, parcial o mixto).
ALIMENTACIÓN: La alimentación es introducida a la torre continuamente. Puede ser liquida en cuyo caso el rehervidor tendrá que evaporar las partes livianas para que suban por la torre. Puede estar completamente vaporizada, en cuyo caso el condensador enfriará y condensará las partes más pesadas para que bajen por la torre. El caso más común es de una alimentación semivaporizada. Las partes livianas estarán vaporizadas al entrar a la torre y subirán. Las partes más pesadas bajaran hacia el fondo. A medida que las partes livianas (vapor) vayan subiendo por la torre, estarán en contacto con el líquido de cada plato. El intercambio que existe resulta en la condensación de las partes más pesadas del vapor ascendente y la evaporación de las partes más livianas del líquido descendente. Este intercambio ocurre en cada plato, y a medida que el vapor vaya subiendo se hace cada vez más liviano. Así llega al tope de la torre donde sale hacia al condensador. La parte superior de la torre se llama sección de rectificación. La parte liquida de la alimentación cae hacia el fondo de la torre. En su camino se encuentra con vapores que suben. El líquido es despojado de los más livianos que suben con el vapor, el cual ha dejado sus partes más pesadas con el líquido. Este, al llegar al fondo contiene las partes más pesadas de la alimentación y sale por el fondo de la torre. Esta parte inferior de la torre se llama sección de despojamiento; y la parte de la torre donde se inyecta la alimentación se llama zona de vaporización instantánea.
REFLUJO: El objeto de sacar el reflujo (como vapor) de la torre y volver a introducirlo como liquido frío es de enfriar la parte superior, y a veces toda la torre. El reflujo entra en contacto con los vapores ascendentes, en el plato superior, los enfría y condensa las partes más pesadas de ese vapor. Parte del reflujo se evapora, y el efecto neto es un aumento de temperatura de la parte del reflujo que como liquido baja al plato siguiente. Allí se repite el mismo proceso: sube la temperatura del líquido, se evapora más líquido y se condensa más vapor. El líquido, a medida que baja, se va haciendo más pesado y el vapor, a medida que sube, se va haciendo más liviano. Si no hubiera reflujo, los vapores subirían desde abajo sin condensarse ni bajar temperatura, y no habría fraccionamiento. Si la cantidad de reflujo fuera muy baja
se evapora antes de bajar todos los platos de la parte rectificadora de la torre (se secan los platos situados más abajo). Si hay exceso de reflujo, la temperatura de la parte superior de la torre sería muy baja, y no podría evaporar todas las partes livianas deseables. Un reflujo total significaría que no se obtiene ningún producto de tope, es decir, todo el producto obtenido se introduce nuevamente en la torre.
CORTE LATERAL: Cuando se desea, se extrae de la torre parte del líquido que cae en un cierto plato. Si se desea un producto más liviano, se extrae de un plato de la parte superior de la torre. Si el “corte” lateral se desea más pesado, se saca de un plato situado más abajo. Cuando se saca el “corte” lateral, hay que tener cuidado de no retirar todo el líquido de ese plato. Si se hace un retiro completo, los platos de abajo se “secaran” no habrá reflujo interno, y el fraccionamiento será pobre. En algunas torres, uno o más cortes se extraen de platos de retiro total. Estos platos no permiten que el líquido que cae a ellos baje al plato inferior. En este caso, hay que introducir un reflujo externo por debajo del plato de “retiro total” y por encima del plato inferior para que haya liquido por debajo del plato de “retiro total”. Este método nos permite un mejor control de la temperatura del plato de retiro del producto, pudiéndose así controlar las características del producto.
EQUIPOS PRINCIPALES DE UNA TORRE DE FRACCIONAMIENTO REHERVIDOR: Equipo cuyo único propósito es el de vaporizar parte de los líquidos que están en el fondo de la torre produciendo vapores que fluyen desde el fondo hacia el tope. Cualquier líquido que no se vaporice en el rehervidor pasa a ser producto de Fondo.
TAMBOR DE DESTILADO: El propósito del tambor de destilado es proporcionar un flujo estable de reflujo y producto de tope. El tambor debe ser lo suficientemente grande como para absorber variaciones pequeñas en el flujo de condensación. También ayuda en la separación del vapor y del líquido y en algunos casos es usado para separar dos fases líquidas inmiscibles.
CONDENSADORES: Se conoce como unidad condensadora a todo aquel intercambiador que cumple una función de disminución de temperatura, ya sea para gases, vapores y otros. La configuración de un condensador puede ser de varios tipos, es decir, de tubo y coraza, placas y superficies extendidas. Estos equipos se encuentran generalmente en los procesos de cambios de fase de gases a líquidos, los equipos de calefacción de líquidos con vapor son a su vez condensadores de vapor. En los ciclos de refrigeración los condensadores tienen la función de enfriar el gas refrigerante ya sea por flujo cruzado gas-aire o gasagua. Los intercambiadores son diseñados para satisfacer requerimientos específicos, existiendo en el mercado una gran diversidad de tipos que difieren en tamaño y forma, estos tipos son clasificados de acuerdo a diferentes criterios,
tales como procesos y mecanismos de transferencia de calor, grado de compacticidad de la superficie, patrón de flujo, número de fluidos, geometría y tipo de construcción.
INTERCAMBIADORES DE CALOR: Es un equipo cuyo objetivo principal es la transferencia de energía térmica entre dos o más fluidos a diferentes temperaturas. En un intercambiador el calor fluye, como resultado del gradiente de temperatura, desde el fluido caliente hacia el frío a través de una pared de separación, la cual se le denomina superficie o área de transferencia de calor. Si los fluidos son inmiscibles, el área física de transferencia de calor puede ser eliminada, y la interfase formada entre los fluidos puede servir como área de transferencia de calor. En resumen, las funciones típicas de un intercambiador de calor en los procesos industriales son las siguientes: Recuperación de calor: La corriente fría recupera parte del calor contenido en la corriente caliente. Es decir, calentamiento y enfriamiento de las corrientes involucradas, las cuales fluyen simultáneamente a ambos lados del área de transferencia de calor. Evaporación: Ocurre cuando una de las corrientes involucradas en el intercambio de calor cambia de fase liquida a vapor. Condensación: Ocurre cuando una de las corrientes involucradas en el intercambio de calor cambia de fase vapor a fase liquida.
ANORMALIDADES DEL PROCESO: El uso de platos y dispositivos tales como válvulas, copas de burbujeo, empaques, etc., propicia una buena rectificación; pero, al mismo tiempo, esos dispositivos funcionan como restricciones al flujo de vapores y líquidos. En el caso de flujos excesivos de vapores o líquidos, el tráfico de materiales sufre una sobrecarga y las funciones generales de la torre se alteran. Por eso es conveniente mantener en observación los efectos de cambios recientes de las variables de operación.
ARRASTRE: Un arrastre grave puede ser el comienzo de una inundación. Normalmente, sobre la superficie del líquido en un plato, existe un gran volumen de gotas arrastradas por la velocidad de los vapores en ascenso. Altas cargas de vapores aumentan las velocidades de estos, produciéndose un exceso en el arrastre de líquido que ira a contaminar el plato superior con partículas pesadas. El fraccionamiento se ve afectado pues el proceso de rectificación se anula. Es posible normalizar la situación bajando la temperatura de la carga, la tasa de alimentación del vapor despojado.
VOMITO: Consiste en la inundación del plato de tope y, en casos más severos, también de los platos inferiores. Puede resultar por un exceso de reflujo de tope,
del cual una gran parte regresa por la línea de vapores de cabecera como líquido en oleadas. Deben dirigirse acciones para bajar temperaturas y para disminuir las tasas de reflujo a tope. Por ejemplo, aumentando el reflujo intermedio, bajar tasas y/o temperatura de la carga y tratar de mantener o subir levemente la presión.
GOTEO: Cuando el flujo de vapor es bajo, existe una capacidad limitada para sustentar el líquido en la bandeja; la columna hidrostática vence la energía de los vapores y comienza un goteo rápido que puede llegar a secar el nivel de la bandeja si estas condiciones se mantienen. La manera de controlar o corregir el goteo es mantener o retornar las condiciones operacionales de la torre dentro de las especificaciones del proceso establecido en el diseño.
INUNDACIÓN: Por altas cargas de líquido o de vapores, uno o más platos pueden llenarse completamente de líquido o espuma. El tubo o los tubos de rebose no pueden desalojar efectivamente el torrente de líquido, particularmente si hay dificultades en el flujo de vapores y formaciones de contrapresiones entre los platos. Las condiciones pueden normalizarse si se baja controladamente la carga, temperatura, vapor despojador, reflujos, y extrayendo más productos laterales, etc. La presión, como variable, puede intervenir en última instancia, y en todo caso sería para aumentarla, buscando disminuir el volumen y la velocidad de los vapores.
TIPOS DE PLATOS Las columnas de platos utilizadas para producir: - Platos con flujo cruzado. - Platos con flujo en contracorriente. El plato con flujo cruzado utiliza un conducto descendente o bajante de descarga del líquido y se suele emplear más que el de flujo en contracorriente porque presenta como ventajas mayor eficacia en la transferencia y un intervalo de condiciones de operación más amplio. El patrón de flujo del líquido en un plato con flujo cruzado se puede controlar colocando bajantes para lograr la estabilidad deseada y la eficacia de la transferencia.
Platos con flujo cruzado: La mayoría de los platos de flujo cruzado utilizan perforaciones para la dispersión del gas en el líquido. Estas perforaciones pueden ser simples orificios circulares, o pueden disponer de “válvulas móviles” que configuran orificios variables de forma no circular. Estos platos perforados se denominan platos de malla o platos de válvula. En los primeros, debe evitarse que el líquido fluya a través de las perforaciones aprovechando para ello la acción del
gas; cuando el flujo de gas es lento, es posible que parte o todo el líquido drene a través de las perforaciones y se salte porciones importantes de la zona de contacto. El plato de válvula está diseñado para minimizar este drenaje, o goteo, ya que la válvula tiende a cerrarse a medida que el flujo de gas se hace más lento, por lo que el área total del orificio varía para mantener el balance de presión dinámica a través del plato. Tomando como mejor dato la cantidad.
Platos en contracorriente: En estos, el líquido y el gas fluyen a través de las mismas aberturas. Por ello, no disponen de bajantes. Las aberturas suelen ser simples perforaciones circulares de diámetro comprendido de entre 3 y 13 mm (1/4 a _ pulgadas) (p o de flujo doble) o hendiduras largas de anchura entre 6 y 13 mm (1/4 a 1/2 pulgadas) (bandeja Turbogrid). El material del plato puede plegarse o “corrugarse” (bandeja Ripple) para separar parcialmente los flujos de gas y líquido. En general, el gas y el líquido fluyen en forma pulsante, alternándose en el paso a través de cada abertura. Para el contacto de gases con líquidos que contienen sólidos se utiliza frecuentemente el denominado plato deflector o “placa de dispersión”. Normalmente tiene forma de media luna y una ligera inclinación en el sentido de flujo del líquido. El gas se pone en contacto con el líquido que se derrama del plato y cae al interior, pudiéndose utilizar en el borde del plato una esclusa o rebosadero, que puede llevar filo dentado, para mejorar la distribución del líquido descendente. En el plato deflector, el líquido actúa como fase dispersa y el gas como fase continua; se utiliza principalmente en aplicaciones con transferencia de calor. Existen muchos tipos de platos como los mencionados anteriormente, pero el plato más utilizado en la industria gasífera y petrolera, es el plato perforado, debido a que su construcción es más sencilla y su costo es aún más económicos.
PLATOS PERFORADOS Los platos perforados pueden ser usados en casi todos los servicios de destilación, incluyendo los sistemas donde hay transferencia de calor. Pueden ser diseñados para operar satisfactoriamente dentro de una amplia variedad de condiciones de operación. Poseen una capacidad igual o mayor que los platos tipo casquete de burbujeo bien diseñados, debido a que el arrastre no se hace significativo hasta que el flujo de vapor alcanza un 90% del punto de inundación.
Además, las pruebas en planta muestran que la eficiencia puede ser tan alta como la de cualquier otro plato comercial. Los platos perforados no son recomendados para servicios que requieran de una alta flexibilidad (mayor de 3:1), en estos casos es preferible usar dispositivos de sellado positivo (casquetes de burbujeo o válvula) aunque esto aumente los costos. Estos platos pueden ser usados en servicios donde hay ensuciamiento, pero en estos casos es necesario considerar grandes orificios de hasta 3/4 a 1 pulg.
CONSIDERACIONES BÁSICAS DE DISEÑO Para llevar a cabo un diseño exitoso es imprescindible entender la hidrodinámica de vapor y de líquido en el plato, por lo cual primeramente se describirá la hidráulica en el plato y las condiciones limitantes de operatividad. Posteriormente, se hará una discusión de las distintas variables que afectan de una u otra forma el diseño de platos perforados.
Hidráulica de flujo en platos perforados: A continuación se describirá la dinámica de flujo en un plato perforado, para así entender mejor las variables que afectarán en el diseño de los mismos. Para analizar la dinámica del flujo sobre un plato perforado, primeramente se debe considerar que el mismo se hace bajo condiciones estacionarias ideales. Bajo condiciones normales, el vapor fluye a través de las perforaciones y se expande dentro del líquido que atraviesa el plato formando una mezcla turbulenta que se convierte en espuma. A medida que la espuma se mueve hacia el vertedero de salida, se produce una eficiente transferencia de masa líquido –vapor, debido a la gran área interfacial. Tanto la espuma como el líquido descienden entonces por el bajante y se termina de separar el vapor del líquido. Cuando el líquido desciende a través del bajante al punto A, en algunos casos se puede tropezar con el vertedero de entrada para asegurar un buen sellado del bajante. Entre los puntos A y B, se puede encontrar la zona de calma de entrada, cuya altura de líquido claro está dado por hci. Entre B y C ó entre A y C, si es el caso, comienza entonces la zona de burbujeo, que es donde se encuentra el área activa del plato (área de burbujeo). Debido al paso de la fase gaseosa a través del líquido que fluye en forma transversal, se crea una turbulencia, que es la causa de la espuma. Esta espuma sobre el área de burbujeo del plato genera una altura visual de la masa aireada hf. A medida que la altura de la espuma aumenta, disminuye la densidad de la misma, por lo cual el líquido, de mayor densidad, se queda cerca del plato. Esta masa de espuma posee un cabezal hidrostático hl que puede ser medido por un manómetro. Cuando esta masa se mueve hacia el vertedero por causa del pequeño gradiente de líquido formado, comienza a deshacerse al llegar a la zona
de calma de salida (entre C y D), quedando el líquido claro con una altura equivalente a hco, altura que debe sobrepasar al vertedero para entonces descender por el bajante. El líquido al descender por el bajante, está en presencia de condiciones turbulentas y forma una segunda zona de espuma, en donde el líquido con una mayor densidad llega el plato inferior y nuevamente el vapor asciende. El líquido atraviesa el área activa o de burbujeo, formando la masa aireada. En los platos perforados generalmente se considera despreciable el gradiente de líquido debido a dos factores: Primero, la cubierta del plato está libre de obstrucciones y por lo tanto ofrece muy poca resistencia al flujo de líquido; segundo, el líquido que sale del bajante y entra al plato tiene un cabezal de velocidad que usualmente excede el gradiente hidráulico, el cual de lo contrario, se necesitaría para mover el líquido a través del plato. En los platos con cajas de receso o vertederos de entrada normalmente esta velocidad se disipa. Sin embargo, estos mecanismos son usados para asegurar un buen sellado del bajante a flujos bajos de líquido, en cuyo caso el gradiente es insignificante.
Condiciones limitantes de operación: Como vemos, el factor determinante del comportamiento de cualquier plato son los flujos de líquido y de vapor que pasan por el plato, delimitando éstos una región de operación satisfactoria. Para platos perforados esta región está representada por el área ABCD. En el punto A de la figura, existe un flujo de vapor muy bajo con un flujo de líquido moderado, que representa el punto de goteo. Si se disminuye aún más el flujo de vapor, el goteo será tan severo que nada de líquido pasará por el vertedero, por lo
que el bajante no será sellado y se creará una inestabilidad hidráulica. La línea AB representa goteo cuando el flujo de vapor es insuficiente para soportar el líquido sobre el plato, cayendo éste a través de las perforaciones. Algo de goteo reducirá la eficiencia ligeramente. La línea AD, corresponde a un elevado flujo de vapor y bajos flujos de líquido, esto representa el límite tolerable de arrastre. En el punto D ocurre un arrastre de grandes gotas de líquido al plato superior debido al alto flujo de vapor. Esto provoca que no exista el suficiente tiempo de contacto para que ocurra una buena transferencia de masa líquido –vapor en el plato disminuyendo la eficiencia, pero manteniendo cierta estabilidad hidráulica. A mayor flujo de vapor, el arrastre de líquido provocará que dicho líquido se acumule en la columna provocando inundación y no será posible continuar la operación. Esto se conoce como inundación por arrastre. Los límites de la inundación se encuentran entre DC. En el punto B, en donde prevalece un flujo de líquido elevado, el gradiente de líquido en el plato será tan alto que será intolerable, lo que representa la inundación del bajante. En condiciones de flujo de líquido similares y alto flujo de vapor en el punto C ocurre una mala distribución de fase que causa disminución de la eficiencia.
Variables de diseño de los platos perforados: A continuación se describen las variables más importantes en el diseño de platos perforados.
Régimen de flujo: Dependiendo de la geometría del plato y de las condiciones de operación, el régimen de flujo puede ser: régimen de espuma, en donde el líquido está en fase continua y el vapor está disperso como burbujas en el líquido en el régimen atomizado “spray”, las fases están a la inversa; el vapor es la fase continua, mientras que el líquido está disperso como gotas en el vapor. Otro
régimen puede ser el de emulsión, en donde la dispersión se comporta como un fluido de dos fases, aunque se trata como una extensión del régimen de espuma. En este caso el líquido es la fase continua mientras que las burbujas de vapor cubiertas por líquido es la fase dispersa. Debido a las bajas o moderadas velocidades de vapor y las moderadas o altas cargas de líquido, el régimen de espuma es común en las destilaciones atmosféricas; el régimen atomizado es común en destilaciones al vacío debido a las altas velocidades de vapor y a las bajas cargas de líquido, siendo la densidad del vapor baja en comparación con la del líquido; y la destilación a alta presión está generalmente asociada con el régimen de emulsión en donde el flujo de líquido es elevado y la velocidad del vapor es baja debido a la alta densidad del vapor.
Diámetro de la torre: Dependiendo de las cargas de líquido y de vapor, el diámetro de la torre puede estar comprendido entre 3 y más de 20 pies. De cualquier forma el diámetro debe tener suficiente área transversal para evitar la inundación por arrastre y las demás condiciones de inoperatividad.
Espaciamiento entre Platos: Es importante un espacio adecuado entre platos para la operación normal del mismo, así como para superar las condiciones limitantes (espuma, inundación, arrastre y goteo entre otras). En columnas industriales, el espaciamiento normal entre platos está entre 8 y 36 pulg. La escogencia de esto depende de la relación económica entre altura y diámetro de la columna. Además, su escogencia debe permitir el acceso para mantenimiento. Para diámetros de la columna mayores a 4 pies, es común un espaciamiento entre platos de 24 pulg; sin embargo se recomienda un intervalo entre 24 y 36 pulg
cuando el mantenimiento es frecuente o el diámetro de la columna es mayor a 10 y hasta 20 pies, esto permite que un hombre pase agachado entre los platos. En el caso en que los soportes del plato sean muy profundos (diámetros muy grandes), es preferible un mayor espaciamiento para permitir el paso para mantenimiento y no interferir en el movimiento del vapor a través del plato. Un espaciamiento de 18 pulg hace difícil el acceso para mantenimiento, por lo cual no se recomienda. Sin embargo para columnas con diámetros de 2 1/2 a 4 pies se utiliza dicho espaciamiento, porque espaciamientos mayores provocan problemas de altura y delgadez o esbeltez de la columna. Espaciamientos más pequeños se utilizan cuando el número de etapas de la torre es demasiado grande y es más ventajoso económicamente hablando construir una sola columna que dos o tres; se podrían considerar espaciamientos entre 12 y 18 pulg. En el caso de que la torre contenga menos de 10 platos, se podría pensar aumentar el espaciamiento, porque no se verán afectados los costos en forma significativa. Cuando la columna opera en régimen atomizado, el arrastre excesivo se evita utilizando un espaciamiento de más de 18 pulg, preferiblemente 24 pulg. Para columnas al vacío que generalmente operan en régimen atomizado, se debe utilizar un espaciamiento de más de 24 pulg. Para bajas cargas de líquido se aplica el mismo criterio (< 2 gpm por pulg de longitud del vertedero). Si en cambio se busca que el régimen de flujo sea de espuma, se ajusta a 18 pulg o menos el espaciamiento. En sistemas espumantes, se escogen espaciamientos de por lo menos 18 pulg para evitar inundación prematura (7). Espaciamientos bajos (18 a 24 pulg) generalmente resultan más económicos.
Número de pasos y longitud del patrón de flujo: En platos multipasos, la carga de líquido en el plato y en el bajante es disminuida al dividir el líquido en el plato en dos o más pasos o patrones de flujo. Esto aumenta la capacidad y disminuye la caída de presión a expensas de un recorrido de líquido por el plato más corto, lo cual genera una disminución en la eficiencia. La longitud del patrón de flujo viene a ser la longitud recorrida por el líquido sobre el plato, desde su entrada al plato inferior hasta que llega al vertedero de salida. También se puede dar una mala distribución de líquido y de vapor sobre platos de dos o más pasos debido a la asimetría en la estructura del plato.
Para determinar el número de pasos se debe considerar lo siguiente: - Costos: Los costos aumentan a medida que se incrementa el número de pasos. Por lo que sólo se justifican si su uso reduce el costo global de la torre. - Capacidad: A elevadas cargas de líquido se justifican platos multipasos para aumentar la capacidad. La práctica común es fijar el número de pasos de manera tal que la carga de líquido no exceda el intervalo comprendido entre 7 y 13 gpm/pulg de longitud de vertedero exterior; aunque se recomienda el intervalo superior (10 a 13 gpm/pulg), por ser el óptimo en la mayoría de las aplicaciones. Este intervalo se aplica cuando el espaciamiento entre platos es mayor a 18 pulg. Para un espaciamiento menor la carga de líquido debe ser menor. - Longitud del patrón de flujo: Esta longitud no debe ser muy pequeña (menor al intervalo entre 16 y 18 pulg) ya que no es conveniente para las entradas a la columna para mantenimiento; aún hasta longitudes menores a 22 pulg pueden reducir considerablemente la eficiencia. Para evitar longitudes del patrón de flujo muy pequeñas, se recomienda usar dos pasos si el diámetro de la columna está entre 4 a 6 pies, tres pasos si el diámetro está entre 7 y 9 pies y cuatro pasos sólo se deben utilizar si el diámetro de la columna está entre 10 a 12 pies. - Distribución de líquido y de vapor en el plato: Platos multipasos pueden provocar una mala distribución de líquido y de vapor. Por esta razón, siempre y cuando sea posible, es preferible no utilizar platos con más de dos pasos. - Plato de entrada de alimentación o reflujo: En estos casos, normalmente se requiere cambiar de un número de pasos determinado a otro. Además es recomendado que el espaciamiento entre platos en esta transición deba ser por lo menos 1 1/2 a 2 pies mayor que el espaciamiento existente entre los demás platos de la columna.
Diámetro de las Perforaciones: En platos comerciales normalmente se utilizan diámetros de orificios de 1/16 a 1 pulg. Para seleccionar el diámetro de los orificios se deben considerar los siguientes aspectos: - La naturaleza del sistema: Con frecuencia se emplean orificios de 3/16 pulg cuando se tienen sistemas limpios. Perforaciones de 1/2 pulg son recomendadas en sistemas sucios, sistemas con flujo de sólidos sin pérdida de eficiencia y en sistemas corrosivos; los orificios de 1/8 pulg se utilizan en sistemas al vacío bajo régimen de espuma. Para sistemas muy corrosivos y con ensuciamiento, es preferible la utilización de perforaciones grandes debido a que la disminución del área del orificio y de la pérdida de presión ocurre más lentamente. Un mayor espesor del plato es más resistente a la corrosión . - Costos: La utilización de orificios muy pequeños aumenta el costo de fabricación (deben ser taladrados en lugar de ser agujereados) puede en algunos casos provoca la formación de espuma, no siempre aumentan la eficiencia de la transferencia de masa y no se deben utilizar en sistemas sucios debido al taponamiento de los orificios. - Hidráulica: Para pequeños orificios bajo régimen de flujo atomizado (baja presión) y con baja carga de líquido, se reduce apreciablemente el arrastre, pero éste no es tan pronunciado como en el régimen de espuma a moderada o alta carga (>3 gpm por pulg vertedero). Reducen ligeramente la caída de presión y en algunos casos se disminuye el goteo, especialmente si la tensión superficial es elevada. Los orificios pequeños, de hasta 3/32 pulg, a veces promueven el régimen de espuma, favoreciendo el contacto líquido –vapor y aumentando ligeramente la eficiencia. - Transferencia de masa: En el régimen de espuma, los orificios pequeños favorecen la transferencia de masa aumentando la eficiencia, aunque este efecto es pequeño. En el régimen atomizado, hay evidencia de que en algunos casos los orificios más grandes aumentan la eficiencia. - Flexibilidad: El uso de orificios pequeños genera mejores condiciones de flexibilidad porque reduce el goteo y aumenta la capacidad.
Arreglo de orificios y espaciamiento entre las perforaciones: Las perforaciones se pueden colocar a distancias entre los centros de 2.5 Do a 5 Do, siendo el valor recomendado por la literatura de 3.8 Do (5,7). El arreglo triangular es el preferido, debido a que la desviación del líquido a través de las perforaciones se ve disminuida y soporta además, una mayor relación de distancia entre orificios (centro a centro) y diámetro del orificio. En general no es importante especificar el arreglo de orificios, ya que éstos son suministrados por el fabricante del plato.
Espesor del plato: El espesor está normalmente vinculado con la resistencia a la corrosión y a la erosión, y por lo tanto al material usado. El mínimo espesor usado es 14 gage (0.0747 pulg) para dispositivos fabricados con materiales resistentes a la corrosión; y 10 gage (0.1345 pulg) para acero al carbón. A medida que se aumenta el espesor del plato, disminuye la caída de presión en seco hed, la cual
es la caída de presión debida al paso de vapor a través de los orificios en donde no hay presencia de líquido. Un plato más grueso debe tener orificios grandes debido a los inconvenientes que se puedan generar en la fabricación.
Área Fraccional: El área fraccional es la relación de área de orificios a área de burbujeo, expresada en fracción. A escala comercial, normalmente se utilizan áreas fraccionales entre 0.05 y 0.15, aunque lo óptimo está entre 0.08 y 0.12. En el caso de torres al vacío se recomiendan áreas fraccionales muy altas. A medida que se incrementa el área fraccional, aumenta la tendencia al goteo, disminuyendo la flexibilidad de la torre, se reduce la caída de presión y la retención de líquido en el bajante y aumenta la capacidad de la columna. La capacidad de la columna se ve favorecida con un incremento del área fraccional cuando los límites de capacidad están dados por el arrastre, la inundación del bajante y la caída de presión del plato. En el caso de régimen de flujo atomizado y a bajas cargas de líquido en el régimen de espuma, un incremento del área fraccional reduce el arrastre en forma significativa, si dicha área fraccional es menor a 0.08. En el régimen de espuma con moderada a alta carga de líquido (>3gpm/pulg), el área fraccional no altera significativamente la tendencia al arrastre. Cuando la columna opera la mayor parte del tiempo bajo condiciones de flujos mínimos (“turndown”), el exceso de orificios se corrige bloqueándolos por medio de placas. Esto reduce el área fraccional y disminuye el goteo. La instalación de estas placas de bloqueado se debe hacer perpendicular al flujo de líquido desde un extremo al otro de la columna.
Altura del vertedero: Los vertederos de salida son necesarios para mantener un nivel de líquido adecuado sobre el plato. Esto se aplica en el caso en que el régimen de operación es de espuma. En dicho régimen la eficiencia aumenta a medida que lo hace la altura del vertedero, aun cuando este aumento de eficiencia es pequeño para alturas entre 1 1/2 y 3 pulg. Pero el inconveniente es que a mayor altura, mayor es la caída de presión en el plato, la retención de líquido en el bajante, la velocidad de arrastre y la tendencia al goteo. En la mayoría de éstos casos, se utiliza una altura del vertedero entre 2 y 4 pulg, aunque se recomiendan valores entre 2 y 3 pulg. En el caso del régimen atomizado, la retención de líquido sobre el plato es independiente de la altura del vertedero, siendo en algunos casos hasta despreciable. Pero se debe realizar el diseño considerando que con cargas mínimas la operación normal puede cambiar de régimen atomizado a espuma, y además, porque el arrastre en el régimen atomizado aumenta a medida que disminuye la altura del vertedero. La mínima altura recomendada es 1/2 pulg, pero se prefiere un intervalo entre 3/4 y 2 pulg. Para columnas de vacío es común utilizar 1 pulg. En los casos especiales de absorbedores y despojadores son comunes alturas de vertederos de 3 a 4 pulg, aunque se han utilizado hasta 6 pulg. Además, cuando el
espaciamiento entre platos es menor a 12 pulg, una altura entre 2 y 3 pulg reduce el espaciamiento efectivo del plato y por lo tanto, la capacidad. En estos casos es preferible usar alturas del vertedero de 1/2 a 1 pulg. En términos generales se pueden usar valores de altura de vertedero entre 0 y 4 pulg.
Tipo de bajante: Existen varios tipos de bajantes. En la mayoría de los diseños de platos se utilizan bajantes tipo cordal o segmental. Estos a su vez pueden ser rectos o inclinados. Cuando el uso de este tipo de bajante resulte en tener un área excesiva de bajante, se pueden usar bajantes de arco modificado. La ventaja del bajante de arco modificado, aunque es más costoso, es que provee un área máxima de contacto en el plato, de esta forma se puede reducir el diámetro de la torre en diseños nuevos o eliminar restricciones en torres existentes. La elevación de un bajante de arco modificado es la distancia mínima entre la pared de la torre y el bajante. Esta distancia debe ser por lo menos de 6 pulg, independientemente del diámetro de la torre. Este requerimiento limita el uso de bajantes de arco modificado en torres con diámetros mayores a 6 pies, para las cuales sólo se añade un 1% más de área de contacto en el plato. En esta sección sólo se hará el diseño de platos perforados con bajante segmental recto o inclinado.
Áreas del bajante: El área requerida de entrada al bajante es determinada por las limitaciones de segregación de la espuma. Si el área prevista es insuficiente, la espuma puede regresar al plato y causar una inundación prematura. Además, a medida que la temperatura de operación del sistema se aproxima a la temperatura crítica, las densidades de la fase de vapor y líquido se aproximan una a la otra, haciendo más difícil la segregación del vapor y la predicción del área requerida para dicha separación, lo cual es muy probable que ocurra en destilaciones a alta presión. Usualmente, en la práctica el área de entrada del bajante no debe ser mayor al 10% del diámetro del plato. Para bajantes inclinados la relación entre área de entrada y área de salida del bajante es de 1.5 a 2.0.
Espacio libre por debajo del bajante: El espacio libre por debajo del bajante es la distancia vertical entre el borde del bajante y la cubierta del plato. Los valores de espacio libre por debajo del bajante deben estar por encima de 1 pulg (25 mm), lo cual está basado en una pérdida normal de cabezal (caída de presión) de 0.5 a 1.5 pulg (13 a 38 mm) de líquido caliente. Normalmente se recomienda usar 1.5 pulg (38 mm).
Sellado del bajante: Para prevenir el desvío del vapor a través del bajante, éste debe ser sellado a flujos de diseño de líquido en el plato inferior. Esto se verifica por un balance de presión en el bajante y el plato. De no tenerse un buen sellado
