Beneficios de usar torres rellenas en vez de
Docente:
Enrique Hernández Oré
Estudiante:
Gerson Larios Giles
Carrera
Ingeniería Química
:
Curso:
Operaciones unitarias 3
Ciclo:
VIII
Lambayeque, 23 de Enero del 2017
Torres Torr es de pla plato toss vs torr torr es empa empacad cada as . Tipos de columnas de rectificación
Columnas de platos
Columnas de relleno
Los siguientes criterios pueden ser útiles al considerar la elección entre los dos tipos principales de torres. 1. Caída de presión del gas: Generalmente, las torres empacadas requerirán una menor caída de presión. Esto es especialmente importante para la destilación al vacío. 2. Retención del líquido: Las torres empacadas proporcionarán una retención del líquido sustancialmente menor. Esto es importante cuando el líquido se deteriora a altas temperaturas; los tiempos cortos de retención son esenciales. También es importante para obte ner buenas separaciones en la destilación por lotes 3. Relación líquido- gas: En las torres de platos se trabaja con los valores muy bajos de esta relación. En las torres empacadas son preferibles los valores altos. 4. Enfriamiento del líquido: Las espirales de enfriamiento se construyen más fácilmente en las torres de platos. El líquido puede eliminarse más rápidamente de los platos, para pasarlo a través de enfriadores y regresarlo, que de las otras torres empacadas. 5. Corrientes laterales: Son eliminadas más fácilmente de las torres de platos. 6. Sistemas espumantes: Las torres empacadas operan con menor burbujeo del gas a través del líquido y son las más adecuadas. 7. Corrosión: Cuando se tienen problemas complicados de corrosión, las torres empacadas son probablemente las menos costosas. 8. Presencia de sólidos: Ninguno de los tipos de torres es muy satisfactorio. Los tanques con agitación y los lavadores Venturi Venturi son mejores, pero sólo proporcionan una etapa. Si se requiere la acción a contracorriente en varias etapas, es mejor eliminar los sólidos al principio. El polvo en el gas puede eliminarse mediante un lavador Venturi en el fondo de la torre. Los líquidos pueden filtrarse o bien clarificarse antes de entrar en la torre. 9. Limpieza: La limpieza frecuente es más fácil con las torres de platos. 10. Fluctuaciones grandes de temperatura: Los empaques frágiles (cerámica, grafito) tienden a romperse. Los platos o empaques de metal son más satisfactorios. 11. Carga sobre la base: Las torres empacadas de plástico son menos pesadas que las torres de platos, las que a su vez son más ligeras que las torres de cerámica o empacadas de metal. En cualquier caso, d ebe diseñarse la carga sobre la base considerando que la torre puede llenarse accidental y completamente de líquido.
12. Costo: Si no hay otras consideraciones importantes, el costo es el factor principal que debe tomarse en cuenta. 1.
Columnas de relleno:
Las columnas empacadas se usan para el contacto continuo a contracorriente de un gas y un líquido en la absorción y también para el contacto de un vapor y un líquido en la destilación. La torre consiste en una columna cilíndrica que contiene una entrada de gas y un espacio de distribución en el fondo, una entrada de líquido y un dispositivo de distribución en la parte superior, una salida de gas en la parte superior, una salida de líquido en el fondo y el empaque o relleno de la torre. El gas entra en el espacio de distribución que está debajo de la sección empacada y se va elevando a través de las aberturas o intersticios del relleno, así se pone en contacto con el líquido descendente que fluye a través de las mismas aberturas. El empaque proporciona una extensa área de contacto íntimo entre el gas y el líquido. Se han desarrollado muchos tipos diferentes de rellenos para torres. Estos empaques y otros rellenos comunes se pueden obtener comercialmente en tamaños de 3 mm hasta unos 75 mm. La mayoría de los empaques para torres están construidos con materiales inertes y económicos tales como arcilla, porcelana o grafito. La característica de un buen empaque es la de tener una gran proporción de espacios vacíos entre el orden del 60 y el 90%. El relleno permite que volúmenes relativamente grandes del líquido pasen a contracorriente con respecto al gas que fluye a través de las aberturas, con caídas de presión del gas relativamente bajas. En las columnas de relleno la operación de transferencia de masa se lleva a cabo de manera continua. La función principal del relleno consiste en aumentar la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, aumentar la turbulencia y por tanto mejorar la eficacia. A medida que aumenta el tamaño del relleno disminuye la eficiencia de la transferencia de materia y aumenta la pérdida de carga, por tanto para determinar el tamaño óptimo de relleno habrá que llegar a un compromiso entre estos dos factores. La selección del material de relleno se basa en criterios como resistencia a la corrosión, resistencia mecánica, resistencia térmica y características de mojado. Además, es necesario disponer un distribuidor de líquido en la parte superior de la columna para asegurar que el líquido moje de manera uniforme todo el relleno y no se desplace hacia las paredes. En las columnas de relleno la operación de transferencia de masa se lleva a cabo de manera continua. La función principal del relleno consiste en aumentar la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, aumentar la turbulencia y por tanto mejorar la eficacia La selección del material de relleno se basa en criterios como resistencia a la corr osión, resistencia mecánica, resistencia térmica y características de mojado Las torres empacadas, o torres de relleno, utilizadas para el contacto continuo del líquido y del gas tanto en el flujo a contracorriente como a corriente paralela, son colum nas verticales que se han llenado con empaque o con dispositivos de superficie grande. El líquido se distribuye sobre estos y escurre hacia abajo, a través del lecho empacado, de tal forma que expone una gran superficie al contacto con el gas.
Consiste en una torre llena de lo que denominamos cuerpos de relleno. Permite contacto íntimo entre el líquido y su vapor, al desplazarse el líquido sobre la superficie de los cuerpos de relleno en contracorriente con el vapor. Útiles cuando la caída de presión y la retención del líquido deben ser pequeña El relleno de torres para ser colocado al azar se fabrica en formas tales que se adosan unos a otros dejando pequeños huecos entre ellos. Antes de 1915 se utilizaron como cuerpos de relleno coque o trozos de vidrio o cerámica rotos con formas al azar, por lo cual dos torres nunca se comportaban de la mism a forma. Los anillos de Raschig, que se muestran en la figura 2.7, fueron desarrollados por Frederick Raschig en 1915 y con ello se introdujo un cierto grado de normalización en esta industria. Los anillos de Raschig, juntamente con las monturas de Berl, fueron los cuerpos de relleno más ampliamente utilizados hasta 1965. Sin embargo, desde 1970 estos materiales fueron en gran parte substituidos por anillos Pall y por monturas de formas más elaboradas tales como Norton´s Intalox Saddle, Koch´s Flexisaddle, Glitsch´s Ballast Saddle, etc. En la actualidad lo rellenos más ampliamente utilizados son: (a) anillos de Pall modificados que tienen unas nervaduras exteriores para darle una mayor resistencia mecánica y numerosas protuberancias en el interior para promover la turbulencia y proporcionar más puntos para el paso de líquido, y (b) monturas con bordes festoneados, orificios o protuberancias. De estos dos tipos, las monturas son las más ampliamente utilizadas, en parte debido a que se encuentran disponibles en materiales cerámicos mientras que los anillos no. La figura 2.7 está tomada del catálogo de Norton Company; y otros suministradores tales como Glitsch, Koch e Hydronil tienen productos análogos.
2.
Aplicaciones de las torres de relleno
Uno de los procesos más empleados es el de separación del aire con el fin de obtener nitrógeno y oxígeno puros para su empleo en la industria electrónica
En las refinerías de petróleo aparecen numerosas unidades de destilación que separan diversos productos según su aplicación
En primer lugar lugar aparece la torre de destilación destilación atmosférica a partir de la la cual el petróleo crudo se separa en diferentes fracciones en función de su punto de ebullición
Después el residuo atmosférico pasa a una torre de destilación a vacío
Otras destilaciones asociadas al proceso son:
En las unidades de fraccionamiento catalítico para la posterior separación de las diferentes fracciones
Para la separación de los compuestos aromáticos
En plantas petroquímicas, por ejemplo en la producción de etileno.
El etileno se produce principalmente por craqueo con vapor de naftas, etileno o GLP y es necesario efectuar una destilación para la obtención del producto final
3.
Dispositivos interiores de torres de relleno
Distribuidor de líquido de alimentación
El relleno, por sí solo, no conduce a una adecuada distribución del líquido de alimentación. Un distribuidor ideal (Norton Company Bulletin TA-80) tendría las siguientes características:
1. Distribución uniforme del líquido 2. Resistencia a la oclusión y ensuciamiento 3. Elevada flexibilidad de operación( máximo intervalo entre los caudales máximo máximo y mínimo con los que puede operar) 4. Elevada área libre libre para el flujo del gas 5. Adaptabilidad a la fabricación fabricación con numerosos materiales de construcción 6. Construcción modular para una mayor flexibilidad de instalación Los dos distribuidores más ampliamente utilizados son los de orificios y los de tipo vertedero, que se encuentran en la figura 2.8. En los de tipo vertedero se utilizan tubos verticales con vertederos en forma de V para la bajada del líquido, lo que permite un mayor flujo al aumentar la carga de altura. Los de tipo orificio, donde el líquido descendiente a través de los orificios y el gas asciende por los tubos, se usan principalmente para líquidos claros y estrechos intervalos de flujo de líquido. Los distribuidores d e tipo vertedero – canal son más caros pero más versátiles. El líquido se distribuye proporcionalmente a través de una o m ás bandejas de
partición y después pasa a los canales con vertederos. Los distribuidores formados por boquillas de pulverización y anillos perforados son también muy utilizados
Redistribuidores de líquido
Son necesarios por cada 3 o 6 metros de relleno para recoger el líquido que baja por las paredes, o que ha coalescido en alguna zona de la columna, y redistribuirlo después para establecer un modelo uniforme de irrigación. Los criterios de diseño son similares a los de un distribuidor del líquido de alimentación. En la figura 2.9a se muestra un distribuidor tipo Rosette Rosette que va soldado a la la pared de la columna. La figura 2.9b representa un redistribuidor que efectúa una recolección total del líquido antes de su redistribución.
Platos de soporte y de inyección del gas
Además de soportar el peso del relleno, los platos de soporte deben de estar diseñados para permitir un flujo relativamente no restringido del líquido y del gas. Con los tipos de platos que se m uestran en las figuras 2.10a y 2.10b, el líquido desciende a través de las aberturas hacia el fondo y el gas asciende a través de la sección superior.
Platos de sujeción (limitadores de lecho)
Los platos de sujeción se colocan en la part e superior del relleno para evitar el desplazamiento, la dispersión o la expansión del lecho a causa de elevadas caídas de presión u oleadas de líquido. Se usan principalmente con relleno de cerámica, que puede romper fácilmente, y con relleno de plástico, que puede flotar y salir del lecho. En la figura 2.11 se muestran varios tipos. Con frecuencia se utilizan recubrimientos de tela metálica situados sobre el relleno, juntamente con, o además de platos de sujeción para prevenir el arrastre de líquido a la salida del vapor.
Platos de soporte para dispersión líquido- líquido
Este tipo de platos de soporte se utiliza en torres de relleno para extracción líquido- líquido. En la parte inferior de la torre su función es la de actuar como soporte y dispersor de la fase ligera.
También se colocan cada 2 o 4 metros de lecho, actuando como soportes y redisp ersores para la fase ligera, que tiende a coalescer. Cuando se colocan en la parte superior de la torre se pueden utilizar utilizar para dispersar dispersar la fase pesada o bien hacer continua la fase ligera. En general, la fase dispersa entra a través de los orificios y la pesada pasa a través de secciones disponibles para ascender. Los rellenos orientados tales como rejillas, mallas y espirales, tienen una importancia comer cial mucho menor que el relleno distribuido al azar. Este tipo de rellenos varían desde metales baratos, con orificios estampados, que son algo parecidos a los distribuidores de gases de la figura 2.10b, hasta muy costosas disposiciones regulares de tela metálica o malla de vidrio, como en la figura 2.13. Contrariamente a lo que ocurr e con platos o relleno al azar, donde la interfase vapor- líquido se crea por combinación de los efectos de penetración de superficie, burbujeo, pulverización y formación de niebla, la interfase en los rellenos como el Koch Sulzer es estacionaria y depende fundamentalmente del mojado de la superficie y la capilaridad. Por tanto, es de esperar que haya buena eficacia aún para bajos flujos de líquido. La bibliografía reciente describe también algunas espirales helicoidales dispuestas verticalmente y que están en contacto entre sí; en ellas el líquido se extiende rápidamente formando hilos sobre cada hélice, mezclándose y redistribuyéndose después en los puntos de contacto de las hélices. Poseen valores muy bajos, tanto de la HETP como de la caída de presión.
4.
Caracterización y comparación de rellenos
No existe una normativa universal sobre datos de ensayo con fines comparativos de distintos rellenos. Por ejemplo, Glitsch Company vende un relleno metálico perforado por estampación, con perforaciones irregulares, con un espacio libre del 97%, que se utiliza para la destilación a vacío de crudo petrolífero, y que es un subproducto de sus operaciones de fabricación de platos perforados. Si este relleno se compara con el relleno Koch Sulzer de la figura 2.13, utilizando un sistema estándar tal como etanol-propanol, por supuesto que conduciría a resultados muy inferiores por lo que respeta a la HETP. Sin embargo, la comparación no es significativa, ya que el relleno Sulzer probablemente no podría utilizarse para la destilación a vacío de un crudo muy viscoso. Otro factor de gran importancia es la relación entre los flujos de masa de líquido a gas, que en absorción puede ser muy superior a 4 mientras que en destilación dicha relación es mucho menor. Por tanto, al efectuar comparaciones es preciso tener muy en cuenta el régimen hidrodinámico.
Otras cuestiones que dan lugar a que los datos de ensayo obtenidos con sistemas “modelo”, tal como aire agua, tengan una importancia menos general son: (a) ¿Mojará el líquido al relleno? (b) ¿Hay efectos térm icos o químicos? (c) ¿Se desea generar la turbulencia en la fase gaseosa o en la fase líquida?. Es decir, ¿La mayor resistencia a la transferencia de materia reside en la fase gaseosa o en la fase líquida? Solamente después de conocer la naturaleza del servicio que ha de prestar el relleno y la importancia relativa de los factores de transferencia de materia se pueden establecer las evaluaciones significativas de las características de operación de un relleno.
Los datos técnicos disponibles sobre rellenos generalmente corresponden a características físicas (área total, superficie libre, resistencia a la tensión, así como estabilidad térmica y química), características hidrodinámicas (caída de presión y velocidad de flujo posibles), y eficacia (HETP, HTU). Partiendo de las investigaciones iniciales de T. Sherwood, W. Lobo, M. Leva y J. Eckert, se han desarrollado correlaciones modernas para las velocidades de flujo posibles en función de las propiedades de los fluidos y la geometría del relleno. El factor de relleno F, que es una constante determinada experimentalmente , y que está relacionada con el cociente entre el área del relleno y el cubo de la fracción hueca del lecho , se utiliza ´para predecir la caída de presión y la inundación del lecho en función de las velocidades de flujo y de las propiedades de los fluidos
Alternativamente, se pueden calcular las velocidades velocidades de flujo permitidas a partir de las caídas caídas de presión que se provoquen. Observando los valores representativos de F de la tabla 2.1 se llega a la conclusión de que F
aumenta con la caída de presión ∆P para una velocidad de flujo dada y que la capacidad de la columna es inversamente proporcional a √F. También se observa un notable aumento de la eficacia entre 1965 y 1975 y que en la actualidad hay más tamaños y materiales de construcción. L os anillos de alta eficacia solamente se construyen en metal o plástico, mientras que las monturas sólo son de clásico o cerámica. En la figura 2.14 se presenta una comparación aproximada realizada por Eckert en 1963 sobre la eficacia de distintos rellenos para una columna y un sistem a particular. La superioridad de los anillos Pall y las monturas Intalox sobre los anillos Raschig y las monturas m onturas Berl, más antiguos, resulta evidente. 5.
Columnas de platos para contacto vapor – líquido
En las columnas de platos la operación se lleva a cabo en etapas. El plato va a proporcionar una mezcla íntima entre las corrientes de líquido y vapor. El líquido pasa de un plato a otro por gravedad en sentido descendente, mientras que el vapor fluye en sentido ascendente a través de las ranuras de cada plato, burbujeando a través del líquido. Al plato se le exige q ue sea capaz de tratar las cantidades ad ecuadas de líquido y vapor sin una inundación o un arrastre excesivos, que sea estable en su funcionamiento y resulte relativamente simple en cuanto a instalación y mantenimiento. También es importante conseguir que la caída de presión en el plato sea mínima. La columna consiste de varios platos en los cuales se lleva a cabo el contacto entre las fases lí quidas y vapor. El vapor es generado por medio de calentamiento del líquido de fondos que se compone básicamente de la sustancia menos volátil del sistema y por tanto está a la mayor temperatura de la t orre, mientras que el líquido que va descendiendo a través de la torre desde el primer plato, el cual es más rico en el componente más volátil y está con la menor temperatura de la torre, es obtenido del condensado del vapor más ligero. La a1imentación de la torre puede consistir desde líquido subenfriado hasta vapor sobrecalentado, lo cual modifica el número de platos necesarios para la separación deseada. La sección por encima del plato de alimentación se denomina sección de absorción, enriquecimiento o rectificadora; mientras que la que se encuentra debajo de éste se denomina como desorberdora, o de agotamiento. Estos términos se vuelven bastante indefinidos en columnas con alimentaciones múltiples y en aquellas en que se retira una corriente lateral de producto en algún punto a lo largo de la columna, ademá s de las dos corrientes de productos de los extremos. Otro factor importante que modifica las condiciones de operación de la torre es la razón de reflujo alimentado a la torre, ya que un valor muy alto hace que el número de platos necesarios para la operación disminuye, aunque el diámetro de la misma aumenta; por lo tanto, para encontrar el arreglo óptimo de la torre se debe buscar la menor cantidad de platos y de reflujo al costo mínimo.
=
0
Las torres de platos son cilindros verticales en los que un líquido y un vapor se ponen en contacto en forma de pasos sobre platos. El líquido entra en la parte superior de la torre y fluye en forma descendente por gravedad. El vapor pasa hacia arriba, a través de orificios en el plato; burbujea en el líquido para formar una espuma y pasa al plato superior. El efecto es un contacto múltiple a contracorriente entre el vapor y el líquido. Cada plato en la torre es una etapa al ponerse en contacto los fluidos, al realizar un cambio en la concentración de los componentes de cada fluido. El número de platos teóricos en una columna sólo depende de lo complejo de la separación, que se va a utilizar y únicamente está determinado por el balance de materia y las consideraciones de equilibrio. La eficiencia de la etapa se determina por el diseño mecánico utilizado y las condiciones de operación. Por otra parte, el diámetro de la columna depende de las cantidades de líquido y vapor que fluyen a través de la torre por unidad de tiempo. El número de platos utilizados en la torre será mayor al calculado teóricamente, y estos tienen eficiencias que varían entre el 40 al 90%, dependiendo de la hidrodinámica del equipo, características del sistema y condiciones de operación. La determinación de las eficiencias de cada plato se puede realizar mediante distintos métodos. La eficiencia de Muphree EMG es muy conveniente para diagramas de McCabe-Thiele, para la fase vapor se define como: =
− +1 ∗ − +1
Donde: vapor que estaría en equilibrio con el líquido que sale de la etapa n ∗ = es la composición de vapor que +1 y = son valores reales para las corrientes de vapor en las etapas n+1
y n respectivamente
Otro método para describir el funcionamiento de una torre de platos es mediante la eficacia total de la columna
=
ú ú
Estrictamente, esta eficiencia sólo tiene significado cuando la eficiencia de Murphree es la misma para todos los platos y cuando las líneas en el equilibrio y de operación son r ectas en las concentraciones consideradas . Método de McCabe-Thiele
Este método no requiere datos detallados de entalpía. Excepto cuando las pérdidas de calor o los calores de solución son extraordinariamente grandes, el método se adecua a la mayoría de los fines. Su adecuación depende de que, como aproximación, Las líneas de operación sobre el diagrama xy puedan considerarse rectas para cada sección de un fraccionador entre puntos de adición o eliminación de corrientes. Sección de enriquecimiento
Considérese una sección del fraccionador totalmente debajo del punto de introducción de la mezcla de alimentación. El condensador elimina todo el calor latente del vapor principal, pero no enfría más el líquido
resultante. Por lo tanto los productos de reflujo y destilado son líquidos en el punto de burbuja y y1 = yD = x0 . Los platos que se muestran son platos teóricos, de forma que la composición yn del vapor del plato n-simo está en equilibrio con el líquido de composición xn que sale del mismo plato. Por lo tanto, el punto (xn, yn) sobre coordenadas x, y, cae sobre la curva en el equilibrio. Un balance total de materia para el entorno de la figura 9-17 del Treybal es: G = L + D = D (R + 1) Para el componente A, G.Yn+1 = L.Xn + D.XD De donde la línea de operación de la sección de enriquecimiento es:
Esta es la ecuación de una línea recta sobre coordenadas x, y, de pendiente L/G = R/(R+1) y con una y igual a xD /(R+1). Haciendo xn = xD se tiene yn+1 = xD, de manera que la línea pasa a través del punto y = x = xD sobre la diagonal de 45º. Este punto, junto con la y, permite construir fácilmente la línea. Se muestra la
concentración de los líquidos y vapores para cada plato y se ve que la construcción usual de “escalera” entre la línea de operación y la curva en el equilibrio proporciona la variación teórica de la concentración del plato. Al graficar la curva de equilibrio en e n la figura, generalmente se supone que la presión es constante en toda la torre. Si es necesario se puede permitir la variación de la presión de plato a plato después de determinar el número de platos reales, pero esto requiere de un procedimiento de prueba y error. Generalmente no es necesario, excepto para la operación a presiones muy bajas. Sección de agotamiento
Ahora considérese una sección del fraccionador abajo del punto de introducción de l mezcla mezcla de alimentación, los platos son teóricos. Los flujos de L y G son constantes de plato a plato, pero no son necesariamente iguales a los valores en la sección de enriquecimiento. Un balance total de materia:
y para el componente A
Estas ecuaciones proporcionan la ecuación de la línea de operación de la sección de agotamiento,
Si el vapor rehervido yw está en equilibrio con el residuo xw, el primer pr imer escalón en la construcción de escalera representa el rehervidor. Introducción de la mezcla de alimentación
La introducción de la mezcla de alimentación modifica al cambio en las pendientes de la línea de operación cuando se pasa de la sección de enriquecimiento a la de agotamiento del fraccionador. La cantidad q es el calor necesario para convertir un mol de la mezcla de alimentación de su condición HF hasta un vapor saturado, dividido entre el calor latente molal HG-HL. La mezcla de alimentación puede introducirse en cualquiera de las diferentes condiciones térmicas, desde un líquido por debajo de su punto de burbuja hasta un vapor sobrecalentado; para cada una de esas condiciones, el valor de q será diferente.
El lugar de intersección de las líneas de operación (la línea q), en una línea recta de pendiente q/(q -1) y puesto que y = zF cuando x = zF, pasa a través del punto x = y = zF sobre la diagonal a 45º.
Es claro que, para una condición dada de alimentación, el hecho de fijar la relación de reflujo en la parte superior de la columna establece automáticamente la relación líquido/vapor en la sección de agotamiento y la carga térmica del rehervidor. Localización del plato de alimentación
La línea q es útil para simplificar la localización gráfica de la línea de agotamiento, pero el punto de intersección de las dos líneas de operación no establece necesariamente la delimitación entre las secciones de enriquecimiento y de agotamiento de la torre. Más bien, es la introducción de la mezcla de alimentación la que gobierna el cambio de una línea de operación a la otra y establece la delimitación; además, en el diseño de una nueva columna, por lo menos se tiene cierta amplitud en la introducción de la alimentación.
Hasta 1950 los platos con caperuzas de barboteo eran los únicos diseños habituales de platos para el contacto vapor – líquido. A partir de los primeros años después de 1950 comenzaron a seguir numerosos competidores, incluyendo platos perforados, Ripple, Turbogrid, Kittle, Venturi, Uniflux, Montz, Benturi, así como numerosos platos de válvula. De todos ellos solamente los platos perforados alcanzaron una inmediata popularidad y se adueñaron de una gran parte del mercado. Sin embargo la introducción de mejoras en el diseño de platos de válvula, sobre todo en la caída de presión coste y seguridad de operación de las válvulas, han ido aumentado su uso hasta que en la actualidad dominan el mercado. No se puede decir, sin embargo, que los platos perforados y, especialmente, los platos de caperuzas de barboteo, estén abandonados. Recientemente se han construido grandes plantas de ácido nítrico y glicol que utilizan columnas de platos de barboteo, y tam bién existen otras aplicaciones en las que tanto el goteo de un plato a otro como los tiempos de resistencia del líquido son críticos, de forma que son preferibles las caperuzas de barboteo. Los platos perf orados se seguirán utilizando porque son baratos, fáciles de fabricar y se comportan bien para muchas aplicaciones.
Platos de válvula
En la figura 2.15 se representan válvulas típicas utilizadas en los platos Koch tipo K -8, A y T, así como en los Glitsch A-1 y V-1. De acuerdo con Koch Engineering Company Inc., las válvulas de tipo T proporcionan el mejor cierre de líquido, la válvula de tipo A es más económica y la K-8 es la que origina menor caída de presión debido a que utiliza un orificio de venturi para disminuir las pérdidas por fricción a la la entrada y a la salida. Las dos válvulas Glitsch Ballast están montadas sobre cubiertas, fluyendo el vapor hacia el interior de la válvula a través de orificios planos o extrudidos. Cada unidad A-1 consta de un orificio o puerta para el vapor, un asiento de orificio, placa de tapadera, placa de lastre y limitador de recorrido. La unidad V-1 , cuando se cierra, asienta sobre tres lengüetas y la pestaña situada debajo del borde de la ranura tiene una forma tal que da lugar a una vena contracta para la posición en la que el vapor penetra en el líquido. Esto aumenta la turbulencia y el área interfacial vapor- líquido. La placa adicional de la válvula A-1 resulta útil cuando no debe haber goteo de líquido aun cuando el flujo esté interrumpido. La relación de flujos en las unidades V-1 puede alcanzar un valor tan alto como nueve.
En la figura 2.16 se muestra un plato de balastra de paso sencillo. Los platos más grandes tienen divisores de flujo o disposiciones en cascada con el fin de reducir los efectos negativos de los gradientes hidráulicos. La figura 2.17 muestra alguno de los posibles esquemas. El diseño recomendado para platos de balastra consiste en mantener las velocidades del líquido entre 0,02 y 0,05 m3/segundo por metro de anchura de flujo (el área activa del plato dividida por la longitud del camino de flujo), aumentando convenientemente el número de pasos.
Platos perforados
Con mucho, los platos perforados más ampliamente utilizados tienen placas con perforaciones, circulando el
líquido con flujo cruzado a través del plato. Sin embargo, también se utilizan platos de “lluvia” con flujo en contracorriente y sin tubos de descenso, en los qu e el líquido y el vapor fluyen a través de los m ismos orificios. Una versión, el plato Turbogrid de la Shell Development Company, es una rejilla plana de ranuras paralelas; otra versión, el plato Ripple, es un plato ondulado con pequeñas perforaciones. Existen también diseños híbridos de platos perforados y de válvulas, combinando las ventajas de la baja caída d e presión y bajo coste de los platos perforados con el amplio intervalo de operación de los platos de válvula. Tanto en los platos perforados como en los de la válvula el contacto se produce entre el vapor que asciende a través de los orificios y la masa de líquido que se mueve a través del plato. En la figura 2.18 se observa que el líquido baja por el tubo de descenso alcanzando el plato en el punto A. Aunque no se representa el vertedero de entrada, éste se utiliza frecuentemente para e vitar el flujo ascendente de vapor a tra vés del tubo de bajada del líquido. En el intervalo comprendido entre A y B se representa líquido claro de altura h, debido a que habitualmente no hay orificios en esta parte del plato.
Desde B hasta C es la llamada parte activa, con una elevada aireación y una altura de espuma h f . La altura de líquido hl en el manómetro de la derecha puede considerarse como la carga de líquido claro sedimentado de densidad. La espuma comienza a colapsar en C, ya que no hay peroraciones desde C hasta D. La altura del líquido a la salida es h 0 y el gradiente hidráulico (que en este caso es 0) El diseño de platos perforados tiene muchos aspectos en com ún con el de platos de válvula, siendo la principal diferencia la substitución de los orificios por válvulas como puertas de entrada del gas. Los diámetros de los orificios están generalmente comprendidos entre 0,3 y 1,3 cm, siendo preferidos los orificios más grandes cuando existe la posibilidad de ensuciamiento. Una gran área de orificios contribuye al goteo, mientras que un área de orificios baja aumenta la estabilidad del plato pero incrementa también la posibilidad de arrastre e inundación, así como la caída de presión. Con frecuencia el tamaño de los orificios y su espaciado son diferentes en las distintas secciones de la columna con el fin de acomodarse a las variaciones de flujo. Otra práctica frecuente es dejar sin consumir algunos orificios con el fin de flexibilizar el posible aumento futuro de la carga de vapor
Platos de caperuzas de barboteo
Las caperuzas de barboteo tienen una antigua y noble historia que se remonta hacia 1800. Tal como era de esperar, y se muestra en la figura 2.19, hay una gran variedad de formas y tamaños. Una caperuza de barboteo consta de un tubo ascendente sujeto al plato mediante pernios, soldadur a, etc, y una caperuza sujeta al tubo ascendentemente o al plato. Aunque la mayor parte de las caperuzas tienen ranuras (0,30 a 0,95 cm de ancho y 1,3 a 3,81 cm de longitud), algunas como la segunda por la derecha de la segunda fila en la figura 2.19, no las tienen, saliendo el vapor de la caperuza por debajo del reborde inferior que está a una distancia inferior a 3,81 cm del plato. El tamaño de las caperuzas comerciales está comprendido entre 2,54 y 15 cm de diámetro. Generalmente están dispuestas sobre el plato en los vértices de triángulos equiláteros formando filas orientadas en dirección perpendicular al flujo
Se han propuesto muchos diseños modificados, que generalmente se basa en algún principio hidrodinámico. La figuro 2.20 muestra una caperuza a la que se le ha incorporado un dispositivo para producir flujo aerodinámico del vapor. Otro tipo experimental, que se muestra en la figura 2.21, está pro visto de aletas para una mejor dispersión del vapor. También se han propuesto caperuzas con perforaciones laterales, siendo una de las más recientes la caperuza VST desarrollada por la Mitsui Shipbuilding and Engineering Company Ltd. En la figura 2.22 se muestra el fundamento. El líquido entra por la base de la caperuza a través de una ranura, es arrastrado por el gas ascendentemente y sale por los orificios de la caperuza. Parecen algo extravagantes algunas de las car acterísticas acterísticas que se mencionan para esta caperuza, que es similar a la “caperuza del sifón” desarrollada por L. Cantiveri y examinada por el Stevens Institute of Technology en 1956.
Las únicas ventajas de los platos de caperuzas de barboteo son (1) si está n adecuadamente unidos a la torre, no permiten el goteo, y (2) hay una gran abundancia de material publicado y de experiencia de los usuarios. Las desventajas son más aparentes: 1. Los cambios de de dirección del flujo y la multiplicidad de expansiones expansiones y compresiones dan lugar a elevadas caídas de presión. 2. Las eficacias de etapa son de un 10 a un 20% inferior que en los platos perforados o de válvula. 3. Comparando plato a plato, son 25 a 50% más caros que que los platos perforados y 10 a 30% más caros que los platos de válvula. Los procedimientos de diseño para el dimensionamiento de columnas, que se consideran con detalle en el capítulo 13, comienzan generalmente con una estimación del diámetro de la torre y del espaciado entre los platos. Para este diámetro se comparan después la capacidad, la caída de presión y el intervalo de operación de acuerdo con las especificaciones del proceso. Se determinan después el diámetro, las dimensiones del tubo de descenso del líquido, el espaciado entre las caperuzas o entre las perf oraciones, con el fin de cumplir las especificaciones y obtener un diseño de mínimo coste, o bien un diseño optimizado para capacidad, eficacia o coste de operación. De capital importancia para los constructores en su propio manual de diseño, que contiene contie ne fórmulas y gráficos para el cálculo de parámetros de columnas, tales como inundación, capacidad, velocidad del líquido, capacidad de vapor, diámetro de los platos, caída de presión, anchura del camino de flujo, disposición del plato, así como tamaño de las caperuza, válvulas o per foraciones. También son importantes otros accesorios interiores de las columnas, tales como: Placas anti – salto: se utilizan a veces con los divisores de flujo que se muestra en la figura 2.17 para e vitar
salpicaduras del líquido sobre los tubos descendentes al pasar a una sección adyacente del mismo plato. Placas con hileras de púas: se colocan en la parte superior de los conductos de descenso o de los
vertederos para romper la espuma y evitar su arrastre. Vertederos de entrada: se utilizan para asegurar el cierre de líquido en los conductos de descenso cuando
se opera con elevados flujos de vapor o bajos flujos de líquidos, tal como se muestra en la figura 2.23a Colectores y cierres de entradas y salida: se utilizan para asegurar el cierre de líquido bajo todas las
condiciones, tal como se muestra en la figura 2.23b y 2.23c Paneles de salpicadura: se utilizan para prevenir salpicaduras y promover la uniformidad de flujo, tal como
se muestra en la figura 2.23d Plastrones de separación: se colocan a veces en columnas grandes entre las etapas, así como en la parte
superior de las columnas, para promover la separación del líquido y el vapor. Agujero de hombre: el diámetro del agujero es un factor importante e n el diseño de los platos, ya que afecta
al número de piezas que se han de instalar y al diseño del plato. Cerchas, anillos, soportes: en torres de gran diámetro los platos e soportan sobre viguetas acanaladas. El
método a utilizar para sujetar los platos a la carcasa requiere experiencia y una cuidadosa planificación. Los platos deben de estar nivelados para asegurar una distribución uniforme del flujo.
Las características de aplicación son:
- Tienen un contacto discontinuo con el gas. - Gran diámetro del gas. - Se utilizan cuando hay sólidos en suspensión. - Se aplica en los casos que puedan haber cambios bruscos de temperatura. - Se utilizan cuando de debe trabajar con presiones elevadas
6.
Columnas de relleno frente a columnas de platos
La diferencia de costes entre las colum nas de platos y de relleno no es demasiado grande, aunque el relleno es más caro que los platos. Por otra parte, la diferencia de altura de la columna no es generalmente significativa si las velocidades de flujo son tales que las eficacias están próximas a su valor máximo. La tabla 2.2 muestra que los anillos Pall de 2 pulgadas son equivalentes a los platos de válvula con un espaciado de 24 pulgadas. Como regla aproximada, los platos se utilizan siempre en columnas de gran diámetro y torres con más de 20 o 30 etapas. La eficacia de torres de relleno disminuye con el diámetro, mientras que en las torres de platos ocurre lo contrario. Las columnas de relleno encuentran la mayor aplicación en absorción de gases, donde es frecuente la presencia de reacciones químicas corrosivas, así como también en el laboratorio, plantas piloto y operación de alto vacío. Otras directrices son: Condiciones que favorecen a las columnas de relleno.
Columnas de pequeño diámetro (menos (menos de 0,6m)
Medios corrosivos
Destilaciones críticas críticas a vacío, donde son imprescindibles bajas caídas de presión
Bajas retenciones de líquido (si el material es térmicamente inestable)
Líquidos que forman espuma (debido a que en columnas de relleno la agitación es menor)
Condiciones que favorecen a las columnas de platos.
Cargas variables de líquido y/o vapor
Necesidad de utilizar serpentines de refrigeración en la columna columna
Presiones superiores a la atmosférica
Bajas velocidades de líquido
Gran número de etapas y/o diámetro
Elevados tiempos de residencia del líquido
Posible ensuciamiento ( las columnas de platos son más fáciles de limpiar)
Esfuerzos térmicos o mecánicos ( que pueden provocar rotura del relleno)
7.
Moderna tecnología de platos. Estudio de un caso
En muchos aspectos, el caso histórico presentado por D. W. Jones y J. B. Jones, de Dupont Company, es típico. Su estudio fue realizado con una pareja de columnas utilizadas en Dana, Indiana y Savannah River, Georgia, para un proceso de agua pesada utilizando intercambio dual de temperatura del deuterio entre el agua y el sulfuro de hidrógeno a elevadas presiones. Construidas a comienzos de la década de 1950, las columnas estaban originalmente equipadas con platos de caperuzas de barboteo. Los platos corroídos en Dana fueron substituidos, a partir de 1957, por platos perforados, que mostraron tener una menor caída de presión, ser más eficaces y más baratos. En Dana, la capacidad de bombeo del líquido limitaba el f actor F (velocidad del vapor m ultiplicada por la raíz cuadrada de la densidad del vapor), basado en la superficie de burbujeo del plato, a 1,6 con platos perforado, frente a 1,43 con platos de barboteo. Posteriores ensayos realizados en Savannah River con una columna de 1,98 m de diámetro mostraron que los platos perforados se inundaban para factores de F de 1,88. Sin embargo, para una elevada turbidez del agua, la formación de espuma reducía las velocidades de vapor permisibles a factores de F de 1,25 (que podían aumentar algo utilizando antiespumantes) En 1972 los setenta platos de barboteo de 3,35 m de diámetro de la columna de Savannah se habían corrido y, con el fin de substituirlos se realizaron ensayos con unos platos perforados propiedad de la empresa que habían sido diseñados por la División Linde de Unión Carbide, así como con otros platos diseñados por Glitsch, Inc. Estos platos, denominados A, B y C, tenían todos ellos orificios de 0,64 cm y aproximadamente un 11% de superficie de orificios. Los platos de tipo A tenían una forma patentada no habitual, incluyendo ranuras direccionales para el vapor, que se muestra en la figura 2.24, y que se asegura que ayudan a reducir los gradientes hidráulicos aumentando la transferencia de materia.
Los ensayos realizados con los tres tipos de platos mostraron caídas de presión muy comparables y puntos de goteo para un factor F de 1,0. En la figura 2.25 se muestra una curva típica. El ∆P para un factor F de operación óptimo comprendido entre 1,7 y 1,8 es un 30% mayor para los platos de barboteo. Sin embargo, pequeñas variaciones en la calidad del agua de alimentación o en la concentración de antiespumantes conducían antes a la formación de espuma dando lugar a la inundación de los platos de barboteo para un factor F tan bajo como 1,55. La inundación no ocurría con los platos tipos A o C para un factor F de 1,8 aunque no se adicionase agente antiespumante. Los platos tipo B no se inundaban por la falta antiespumante, pero
en cambio sí lo hacían para una mala calidad del agua (un ejemplo típico del factor “arte”). Para todos los tipos de platos las eficacias eran del mismo orden. En muchos aspectos, la experiencia de DuPont es grande, pero en otros no. El agua pesada no es producto químico comercial ordinario y no está sometido a las fluctuaciones locales del mercado. A mediados de la década de 1970 la combinación de una recesión, disminución de materias primas y un incremento de tres a cuatro veces de los costes de la energía, juntamente con la tendencia de la industria de proceso hacia el empleo de grandes plantas, obligó a la industria a adoptar nuevas estrategias en destilación. La operación en columnas de fraccionamiento con elevadas relaciones de reflujo y gran consumo de calor resultan antieconómicas y es preciso encontrar vías para operar las plantas con una capacidad muy inferior a la de diseño.
Este último factor aceleró la tendencia hacia el empleo de platos de válvula, que pueden operar con intervalos de flujos de vapor y líquido mayores que los platos perforados. La disminución de la relación de reflujo para disminuir el consumo de calor en una columna ya existente solamente se puede conseguir aumentando el número de etapas. Para introducir más etapas en una columna ya existente, algunas compañías han substituidos las etapas por relleno de elevada eficacia, a costa, por supuesto, de un gasto adicional. A medida que el arte se acerca más a la ciencia, los diseñadores se sienten más seguros y realizan más innovaciones. Así, ahora estamos viendo aplicaciones en las que interviene una especie de mezcla de equipo, tales como platos que tienen válvulas y perforaciones, y columnas en las que alternan secciones con cuerpos de relleno y rejillas, o bien tela metálica y platos. Estos dispositivos con mezcla de equipo resultan particularmente útiles en la situación no infrecuente donde las cargas de vapor y líquido varían considerablemente a lo largo del aparato.
8.
Resumen de las diferencias entre torres de relleno y torres de plato
Torres de relleno
Torres de plato
Difícil limpieza
Fácil limpieza
Se emplea para menores alturas y diámetro de
Torre de mayor altura y volumen
torres menores a un metro Mayor eficiencia debido a que el funcionamiento del Menor eficiencia, debido a que el área superficial es relleno establece una gran superficie de contacto menor en platos, y mayor diámetro de torres entre el gas y el líquido, favoreciendo el íntimo contacto entre las fases La torre de relleno, tiene una caída de presión del Las torres de platos generan mayor m ayor caída de presión gas menor por unidad de altura, siendo importante
por plato. Los espirales de enfriamiento se
en la destilación al vacío
construyen más fácilmente en las torres de platos, donde el líquido puede enfriarse más rápido y regresarse a los platos
La cantidad de líquido retenido por la columna es Opera sobre amplias zonas de carga de vapor y muy pequeña, si existe un buen diseño. El líquido se líquido por unidad de sección recta de la torre retiene en menor tiempo En las torres empacadas se trabaja con valores altos En las torres de platos la relación líquido – gas es de la relación gas- líquido
menor
No tiene corrientes laterales
Las corrientes laterales son más fácilmente eliminadas en las torres de platos
Las torres empacadas operan con menor burbujeo Operan con mayor burbujeo de gas en el líquido, de gas en el líquido
generando mayor caída de presión por poco control de arrastre de líquido en las burbujas
Cuando hay problemas de corrosión hay menos
La corrosión es mayor en la torre de platos
problemas en las torres empacadas Los empaques dificultan la limpieza frecuenta en las La limpieza frecuente es más fácil en torres de torres empacadas
platos
Los costos iniciales en el diseño de torres
Los costos iniciales en el diseño de la torre de platos
empacadas son mayores. Aunque con el tiempo de son menores operación se reduce el costo Se utiliza en operaciones altamente corrosivas
No aplica para servicios corrosivos, ni para servicios con tendencia a la formación de espuma
La distribución del líquido resulta difícil
La distribución de líquido es menos rigurosa
Las columnas empacadas son utilizables en una
Son más comúnmente usadas en procesos de
gran
gama
de
procesos,
como
destilación, destilación
extracción, humidificación (deshumidificación) y en absorción gaseosa
9.
Bibliografía
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Mc Cabe W., Smith J. & Harriott P. (2004). Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. España: Mc Graw- Hill.
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https://es.scribd.com/doc/86646455/Diferencia-Entre-Torres-de-Platos-y-Torres-Empacadas
http://www.diquima.upm.es/old_diquima/investigacion/proyectos/chevic/catalogo/COLUMNAS/Relle no.htm
10. Anexos
Tipos de platos:
Capucha
Válvula en jaula
Válvula flotante
Válvula fija
