TORRES EMPACADAS Las torres empacadas son columnas llenas de materiales de empaque que proporcionan un área de superficie grande para facilitar el contacto entre el líquido y el gas. Las torres absorbedoras empacadas pueden alcanzar eficiencias de remoción remoción más altas, manejar razones de líquido más altas y tener requerimientos de consumo de agua relativamente más bajos que otros tipos de absorbedores de gas. Un aparato que se utiliza con frecuencia en la absorción de gases y en otras operaciones es la torre empacada. Un ejemplo de dicho aparto se representa en la fig. Nº10. El dispositivo consiste en una columna cilíndrica, o torre equipada con una entrada de gas y un espacio de distribución en la parte inferior; una entrada de líquido y un distribuidor en la parte superior e inferior, respectivamente; y una masa soportada de cuerpos sólidos inertes que recibe el nombre de torre empacada . El soporte del empaque consiste por lo general en una criba o tamiz corrugado, para darle fuerza, con una gran fracción de área libre de forma que no se produzca inundación en el soporte. El líquido entrante, ya sea disolvente puro o una solución diluida del soluto en el solvente, y que recibe el nombre de licor débil o de muy baja de concentración, se distribuye sobre la parte superior del empaque mediante un distribuidor y, en la operación ideal, moja de manera uniforme la superficie del empaque. El distribuidor que se presenta en la figura Nº1 es un placa perforada con tubos instalados en cada perforación. En torres grandes, son más comunes las boquillas rociadoras o los platos distribuidores con un vertedero de desbordamiento. Para torres muy grandes, hasta de 9m (30 ft) de diámetro, Nutter Engieneering anuncia un plato distribuidor con tubos goteadores individuales . (McCabe, Smith and Harriot, 2000) Fig. 1 Torre Empacada
Fuente: Operaciones Unitarias en Ingeniería Química Mcabe 7th
El gas que contiene el soluto, o gas rico, entra en el espacio de distribución situado debajo del empaque y asciende a través de los intersticios del empaque en contracorriente con el flujo del líquido. El empaque proporciona una gran área
de contacto entre líquido y el gas, favoreciendo así un íntimo contacto entre las fases. El soluto contenido en el gas rico es absorbido por el líquido freso que entra en la torre, y el gas diluido o agotado sale de la torre por la parte superior. El líquido se enriquece en soluto a medida que desciende por la torre y el líquido concentrado llamado licor concentrado sale por el fondo de la torre a través de la salida del líquido. (McCabe, Smith and Harriot, 2000) Los empaques de la torre se dividen en tres principales tipos: aquellos que son cargados de forma aleatoria en la torre, los que son colocados a mano, y aquellos que se conocen como empaques ordenado o estructurado. Los empaques aleatorios consisten en unidades de 6 a 75 m (1/4 o 3 in) en su dimensión mayor; los empaques inferiores a 25 mm se utilizan principalmente en columnas de laboratorio o de plantas piloto. Las unidades de empaque ordenado son de tamaños comprendidos entre unidades de 50 a 200 mm (2 a 8 in). Estos se ocupan mucho menos que los empaques aleatorios, pero no se estudiaran aquí. (McCabe, Smith and Harriot, 2000)
PARÁMETROS DE DISEÑO
Caída de presión.
Se debe presentar una baja caída de presión del gas para que la transferencia de masa sea más eficiente. La caída de presión es también importante i mportante en los sistemas que suelen formar espuma. Costos.
Cuando se trata de diseño y construcción de una torre de empaques el costo viene a ser uno de los parámetros más importantes a evaluar, ya que el ingeniero deberá considerar los gastos que genera hacer funcionar una torre de empaques, como por ejemplo: bombas auxiliares, intercambiadores de calor, condensadores de reflujo, que en la mayoría de ocasiones tienen un valor de tres a seis veces más que el relleno. También otro punto a considerar son los servicios como electricidad, vapor, agua; estos costos de operación son habitualmente de dos a seis veces la depreciación anual del equipo.
Operatividad.
Este es un parámetro que depende mucho de los factores humanos, de la capacidad del ingeniero para innovar, proponer y buscar soluciones a las adversidades que puede presentarse a lo largo del proceso.
Las columnas de relleno pueden presentar varios problemas como por ejemplo: Inundación.
Cuando se utilizan empaques aleatorios las condiciones de inundación dependen del método de empaque y del acomodo del empaque. Esto ocurre cuando las velocidades de vapor o liquido son grandes y hacen que la caída de presión sea superior a la carga neta de gravedad del líquido, y de esta forma es arrastrado hacia arriba de la columna.
Canalización (bypass). El relleno tiene la función de promover la turbulencia de los fluidos y la transferencia de masa mediante la dispersión del líquido, que fluye formando una película sobre la superficie del relleno y como gotas entre los cuerpos de relleno y por el interior de los mismos. Cuando los flujos de líquido y/o vapor son muy bajos, o si la alimentación liquida no es uniformemente distribuida sobre el relleno, el líquido tendera a bajar por las paredes mientras que el gas por el centro de los rellenos, no entrando así en contacto la fase liquida con la del gas, disminuyendo la transferencia de masa.
Formación de espuma. Este problema se suele presentar por la presencia de impurezas, bajas presiones y elevadas velocidades de la fase gaseosa y las eficacias de separación disminuyen en un 50 %.
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CARACTERÍSTICAS DEL EMPAQUE. Proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el gas. La superficie del empaque por unidad de volumen de espacio empacado ( a ), debe ser grande. n
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La fracción del espacio vacío en el lecho empacado debe ser grande. El empaque o dispositivo deber tener presentar un diseño que permita el paso de grandes volúmenes de fluidos.
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No deben presentar reacción química con el fluido en contacto.
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Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la instalación.
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Bajo precio.
TIPOS DE EMPAQUE. A) Empaques al azar ( aleatorios)
Fig. 2 Torre de relleno al azar
Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Packed_bed
Llamado también empaques aleatorios por la forma en la que son depositados en la torre; estos se dejan caer libremente, bajo acción de la gravedad dentro de la torre. Antiguamente se utilizaban grabas o piedras chancadas por el bajo costo que estas tenían, si bien cumplían con una de las características de los empaques que es el bajo costo, estas no eran las óptimas ya que no presentaban las otras características importantes como la de tener una gran superficie interfacial. Actualmente los empaques aleatorios son fabricados.
Fig. 3: Empaques comunes en torres a) anillos Rashing b) anillo metálico Pall c) anillo plástico Pall d) montura de Berl e) montura de céramica Intalox f) montura plástica Super Intalox g) Montura metálica Intalox.
Fuente: Operaciones de separación por etapas de equilibrio en ingeniería Química. J.D. Seader.
La mayoría de los empaques aleatorios de las torres se construyen con materiales baratos e inertes, tales como la arcilla, porcelana o diferentes plásticos. A veces se utilizan anillos metálicas de pared delgada, de acero o aluminio. Se alcanzan altos espacios vacíos (porosidad del lecho) y pasajes o pasos grandes para los fluidos haciendo las unidades de empaques irregulares o huecas, de forma que se entrelazan para dar lugar a estructuras abiertas con una porosidad de 60 a 90%. Los anillos de Rasching, fueron desarrollados por Frederick Rasching en 1915, estos anillos juntos con las monturas Berl, fueron muy utilizados hasta 1965. Los anillos Rasching, que son cilindros huecos cuyo diámetro varía de 6 a 100 mm. Puede fabricarse de Porcelana Industrial, carbón, metales, plásticos. Estos anillos pueden ser utilizados con la mayoría de líquidos, salvo algunas excepciones:
Tabla Nº1: Fluidos en los que no pueden entrar en contacto los distintos tipos de anillos Rasching.
Material del Anillo Rasching
Excepciones
Porcelana Industrial
Álcalis y ácido fluorhídrico
Carbón
Atmosferas altamente oxidantes
Plástico
Algunos solventes orgánicos y gases que contienen oxígeno.
Fuente: elaboración propia A partir de 1970 estos fueron sustituidos por los anillos Pall y por monturas Intalox. En la actualidad los más utilizados son los anillos Pall.
Tabla Nº2: Algunas Características de otros tipos de empaques: Tipos de empaques
Características
Berl o Intalox
Son empaques en forma de sillas de montar, con tamaños que varían entre 6 a 75 mm., pueden ser fabricadas de porcelanas químicas o plásticos.
Pall o Flexirings
Anillos en forma de cascada
Hy-Pack
Hechos de metal o plástico
Tellerettes
Hechos de plástico.
Fuente: Elaboración propia.
Los tamaños más pequeños de empaque al azar ofrecen superficies específicas grandes y mayores caídas de presión, pero los de mayores tamaños ofrecen menor precio por unidad de volumen; por lo tanto se aplica las siguientes “reglas”:
Para flujos de gas de 0.25 25 mm a 50 mm. Para flujos de gas de 1 mayores.
m
m
3
3
/
/
s
s
se utilizan tamaños de empaques aleatorios de
, se utilizan tamaños de empaques de 50 mm o
Ahora que ya sabemos que algunos tipos de empaques son de materiales frágiles como porcelana, y estos son vertidos aleatoriamente y por gravedad
dentro de la torre, para evitar su deformación o ruptura, la torre puede llenarse previamente con agua para reducir la velocidad de caída. En la figura Nº 3 se ilustran empaques comunes de torres y sus características físicas se presentan en la tabla Nº3. Las monturas de cerámicas de Berl y los anillos Raschig son los tipos de empaque más antiguos y no son muy usados en la actualidad, aunque representaron una mejora importante respecto de las esferas de cerámica o la piedra triturada que se introdujeron primero. Las monturas Intalox son similares a las monturas Berl, pero la forma impide que las piezas queden demasiado juntas, y esto aumenta la porosidad del lecho. Las monturas de Super Intalox tienen una pequeña variación con respecto al borde escalopado; se encuentran disponibles en plástico o en cerámica. Los anillos Pall están hechos de metal delgado con porciones de la pared inclinada hacia dentro, o de plástico con ranuras en las paredes y costillas rígidas dentro. Empaques Hy-pack metálicos y Flexirings (no ilustrados) son similares en forma y funcionamiento a los anillos metálicos Pall. Los lechos de anillos Pall tienen alrededor de 90% de fracción de huecos y una ligera caída de presión que otros empaques de tamaño nominal o parecido. El nuevo IMPT de Norton (Instalox Metal Packing-empaque metálico Intalox de torres) tiene una estructura muy abierta y una caída de presión más baja que los anillos Pall. Los factores de empaque adicionales de caída de presión para algunos empaques comerciales están dados por Robbins y, en unidades del SI, por Perry. Tabla Nº3: Características de empaques para torres
.
Fuente: Operaciones Unitarias en Ingeniería Química Mcabe 7th
Los empaques estructurados con orden geométrico han evolucionado desde los empaques Stedman a finales de la década de 1930, pero se encontraron muy pocos usos industriales hasta que se desarrollaron los empaques de Sulzer alrededor de 1965. Los primeros empaques estructurados se fabrican de gasa alambre; los modelos más recientes están hechos de láminas adyacentes acomodadas de tal forma que el líquido se distribuye sobre sus superficies mientras que el vapor fluye a través de los canales formados por los corrugados. Los canales están colocados en ángulo de 45º respecto a la horizontal; el ángulo se alterna en dirección en las capas sucesivas, como se muestra en la figura N4. Cada capa tiene unas cuantas capas de espesor. Varios empaques patentados difieren en el tamaño y distribución de los corrugados y el tratamiento de las superficies de empaque. En general, las corrugaciones triangulares tienen de 25 a 40 mm a lo largo de la base, de 17 a 25mm de lado, y de 10 a 15mm de altura. Los intervalos de porosidad van de 0.93 a 0.97, y el área de superficie de 60 a 76 ft2/ft3 (200 a 250 m 2/m3). El empaque Sulzer BX, fabricado de alambre de metal, tiene un área específica de 152 ft 2/ft3 (500m2/m3) con una porosidad de 0.90. (McCabe, Smith and Harriot, 2000) Fig. 4: Trazado esquemático de un empaque estructurado.
Fuente: Operaciones Unitarias en Ingeniería Química Mcabe 7th
B) Empaques regulares. Los empaques regulares ofrecen la ventaja de proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y gas en contacto, una menor caída de presión para el gas y un flujo mayor, pero esto general una instalación más costosa que una torre de empaques aleatorios. Fig. 5: Empaques regulares
Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Packed_bed
Cuerpo de la torre. El tipo de material a utilizar para la construcción del cuerpo de la torre dependerá de las condiciones de corrosión; puede ser de madera, porcelana química, metal, ladrillo a prueba de ácidos, vidrio, plástico, metal cubierto por plástico. Para aumentar su resistencia y facilitar su construcción generalmente son circulares en la sección transversal.
Soporte del empaque. Como su propio nombre lo dice, son los que van a soportar los empaques, por lo tanto debe ser lo suficientemente fuerte para sostener el peso de una altura razonable de empaques, además de tener un área libre amplia para permitir el flujo del líquido y del gas sin restricción(mínima restricción). Se puede utilizar una rejilla de barras, pero se prefiere los soportes especialmente diseñados, por ejemplo:
Fig.6 Plato de Sosttn Multibeam.
Fuente: Operaciones de Transferencia de Masa. Treybal.
Este tipo de soporte a diferencia de uno convencional de rejilla presenta un paso separado |para el gas y el líquido. 1. Distribución del líquido. Fig. 7 Distribución del líquido e irrigación del empaque
Fuente: Operaciones de Transferencia de Masa. Treybal.
Como observamos en la figura, nos muestra porque es importante una uniforme y buena distribución del líquido de entrada. En la figura (a) observamos que solo hay un flujo de entrada del líquido y que esta no llega a entrar en contacto con todos los empaques distribuidos en la torre, y sabemos que el empaque seco no es efectivo para la transferencia de masa, por lo tanto no se estaría aprovechando al máximo los empaques para la transferencia de masa. Lo contrario observamos en la figura (B), observamos más de un dispositivo de entrada lo que hace uniforme el contacto del líquido con los empaques.
Ya sabemos que el empaque no conduce por si solo a una adecuada distribución del líquido de alimentación. 1. Un distribuidor ideal debe tener las siguientes características: 2. Distribución uniforme del líquido. 3. Resistencia a la oclusión y ensuciamiento. 4. Elevada flexibilidad de operación (máximo intervalo entre los caudales máximos y mínimos con los que puede operar). 5. Elevada área libre para el flujo de gas. 6. Adaptabilidad a la fabricación con numerosos materiales de construcción. 7. Construcción modular para una mayor flexibilidad de instalación. Fig. 8 Distribuidores de líquido de alimentación. (a) tipo orificio. (b) tipo vertedero. (c) Tipo vertedero-canal
Fuente: Operaciones de separación por etapas de equilibrio en ingeniería Química. J.D. Seader.
Los dos distribuidores más ampliamente utilizados son los de orificios y los de tipo vertedero. Las boquillas también intervienen mucho en el proceso, ya que si se utiliza una boquilla aspersora, esta provoca que mucho líquido sea arrastrado por el gas, causando una inundación en la torre. Usualmente es recomendable utilizar cinco puntos de entrada de líquido por 0.1 2
de sección transversal de la torre (diámetro mayor o igual a 1.2 m), y un número mayor para diámetros pequeños. m
Para diámetros grandes se puede utilizar un distribuidor de la forma:
Fig. 9 Distribuidor del líquido de represa de tina
Fuente: Operaciones de Transferencia de Masa. Treybal.
Tamaño del empaque al azar y redistribución del líquido. Cuando se utilizan empaques al azar la densidad del empaque, es decir la relación que hay entre el número de piezas de empaque por pie cubico, es usualmente menor en la vecindad inmediata de las paredes de la torre, lo que causa que el líquido tienda hacia las paredes de la torre y el gas fluya en el centro, lo que no proporcionaría un eficaz contacto liquido-gas, disminuyendo así la absorción. Para disminuir esta tendencia del líquido hacia las paredes el diámetro de cada pieza de empaque tiene que ser al menos menor de un octavo del diámetro de la torre.
Fig. 10: Redistribuidores de líquido. (a) tipo Rosette. (b) tipo metálico
Fuente: Operaciones de separación por etapas de equilibrio en ingeniería Química.
J.D. Seader.
Contenedores del empaque. Los contenedores de empaque son utilizados cuando la velocidad del gas es elevada y así evitar el levantamiento del empaque. Para empaques cerámicos se utilizan platos que descansen libremente sobre la parte superior del empaque. Para empaques de plástico y otros empaques ligeros, los contenedores están unidos al cuerpo de la torre.
Eliminadores de arrastre. También llamados eliminadores de neblina, sirven para captar las pequeñas gotas que arrastra el vapor luego que abandona el empaque a velocidad elevada. Estos eliminadores se instalan en la entrada del líquido, es una capa de malla entretejida con espacios aproximadamente de 100 mm de espesor, captara prácticamente todas las partículas de neblina.
Contacto entre el líquido y gas El requisito de un buen contacto entre el líquido y el gas es la condición más difícil de cumplir, sobre todo en torres grandes. De manera ideal, el líquido, una vez distribuido en la parte superior del empaque, fluye en forma de una película delgada sobre la superficie del mismo durante todo el recorrido de descenso a través de la torre. En la realidad, las películas tienden a aumentar de espesor en algunos lugares y a disminuir en otros, de forma que el líquido se agrupa en pequeñas corrientes y fluye a lo largo de trayectorias localizadas a través del
empaque. En especial cuando se registran bajas velocidades del líquido, una buena parte de la superficie del empaque puede estar seca, o con más frecuencia, recubierta por una película estacionaria del líquido. Este efecto se conoce con el nombre de canalización y es la principal razón del mal funcionamiento de las grandes torres empacadas. (McCabe, Smith and Harriot, 2000) La canalización es más severa en torres con empaque ordenado; por ello casi no se utilizan. La canalización es menos severa en empaques aleatorios. En torres de tamaño moderado, la canalización se minimiza si el diámetro de la torre es al menos ocho veces el diámetro del empaque. Si la relación entre el diámetro de la torre y el diámetro del empaque es inferior de 8 a 1, el líquido tiende a desplazarse hacia afuera del empaque y descender por la pared de la columna. Sin embargo, aún en columnas pequeñas con empaques que cumplen esta condición, la distribución del líquido y la canalización tienen un efecto importante sobre el funcionamiento de la columna. En torres grandes, la distribución inicial es especialmente importante, pero aun con una adecuada distribución inicial, por lo general se incluyen redistribuidores para el líquido cada 5 o 10 m de la torre, sobre todo inmediatamente por encima de cada sección empacada. La mejora en la distribución de líquido ha hecho posible el uso efectivo de las torres empacadas con diámetros mayores de 9 m (30 ft). (McCabe, Smith and Harriot, 2000) Gy = u0ρ Dónde: Gy: Velocidad de inundación (lb/ft 2-h) ρ: Es la densidad del gas
Fig.11: Caída de presión de una torre empacada para el sistema aire-agua con monturas Intalox de 1 in. (1000 lb/ft2 h = 1.356 Kg/m2.s, 1in.H2O/ft =817 Pa/m)
Fuente: Operaciones Unitarias en Ingeniería Química Mcabe 7th
Cuando el empaque está seco, la línea que se obtiene es recta y tiene una pendiente del orden de 1.8. Si el empaque está irrigado con flujo constante de líquido, la relación entre la caída de presión y la velocidad del flujo del gas sigue inicialmente una línea paralela a la del empaque seco. La caída de presión es mayor que en el empaque seco, debido a que el líquido en la torre reduce el espacio disponible para el flujo de gas. (McCabe, Smith and Harriot, 2000) Sin embargo, la fracción de huecos no varía con el flujo de gas. Para velocidades moderadas de gas, la línea para el empaque irrigado tiene una pendiente cada vez más pronunciada, debido a que el gas impide el flujo descendente del líquido de forma que aumenta la retención de este con la velocidad de flujo del gas. El punto en el que la retención de líquido comienza a aumentar, hecho que se aprecia por un cambio de la pendiente de la línea de la caída de presión, recibe el nombre de punto de carga . Sin embargo, como se aprecia en la Fig. 4, no es fácil obtener un valor exacto para el punto de carga. (McCabe, Smith and Harriot, 2000)
Al aumentar todavía más la velocidad del gas, la caída de presión se incrementa aún más rápido, y las líneas se hacen casi verticales cuando la caída de presión es del orden de 2 a in de agua por pie de empaque (150 a 250 mm de agua por
metro). En determinadas regiones de la columna, el líquido se transforma en una fase continua y se dice que la columna está inundada. Temporalmente se utilizan flujos de gas más elevados, pero el líquido se acumula con mayor rapidez, y la columna completa puede llenarse con líquido. (McCabe, Smith and Harriot, 2000) Es evidente que la velocidad del gas en la columna empacada en operación debe ser inferior a la velocidad de inundación. Sin embargo, a medida que se aproxima la inundación, la mayor parte o toda la superficie de empaque se humedece, aumentando el área de contacto entre el gas y el líquido. El diseñador debe escoger una velocidad suficientemente distante de la velocidad de inundación para garantizar una operación segura, pero no tan baja que se requiera de una columna mucho más grande. Bajar la velocidad del diseño hace que se incremente el diámetro de la torre sin mucho cambio en la altura requerida, a partir de que bajas velocidades de gas y líquido llevan a una reducción proporcional cercana a la velocidad de la transferencia de masa. Uno de los beneficios de la baja velocidad del gas es el decremento de la caída de presión, pero el costo de la energía consumida no es por lo común un factor importante en la optimización del diseño. En algunas ocasiones, la velocidad del gas es el decremento de la caída de presión, pero el costo de la energía consumida no es por lo común un factor importante en la optimización del diseño. En algunas ecuaciones, la velocidad del gas es escogida como la mitad de la velocidad de inundación que se predice a partir de una correlación generalizada. Esto quizá parezca muy conservador, pero hay una dispersión considerable en los datos publicados para la velocidad de inundación, y las correlaciones generalizadas no son muy exactas. Se emplea una aproximación más cercana a la velocidad de inundación si se dispone de los datos detallados de funcionamiento para la selección del empaque. También es posible diseñar torres empacadas con base en una caída de presión definida por unidad del empaque. (McCabe, Smith and Harriot, 2000) La velocidad de inundación depende en forma importante del tipo y tamaño del empaque y la velocidad másica de líquido. La Fig. Nº12 muestra información para monturas Intalox tomadas de la Fig. Nº11 y curvas similares para otros tamaños. Se supone que al velocidad de inundación ocurre a una caída de presión de 2.0 in de H 2O/ft de empaque, puesto que las curvas de la caída de presión son verticales o cercanas a ese punto. Para bajas velocidades de líquido, la velocidad de inundación varía con la velocidad del líquido elevado a la potencia de -0.2 a -0.3 y con el tamaño del empaque elevado a la potencia de 0.6 a 0.7. Los efectos de la velocidad del líquido y el tamaño del empaque elevado a la potencia de 0.6 a 0.7. Los efectos de la velocidad del líquido y el tamaño del empaque se vuelven más pronunciados en altas velocidades másicas del líquido. (McCabe, Smith and Harriot, 2000)
Fig. 12: Velocidades de inundación en monturas cerámicas Intalox en un sisteam aire - agua. (1000 lb/ft2.h = 1.356 Kg/m2.s)
Fuente: Operaciones Unitarias en Ingeniería Química Mcabe 7th
Se han propuesto varias correlaciones generalizadas para la caída de presión y la velocidad de inundación en columnas empacadas. Muchas de ellas utilizan una gráfica log-log con (Gx/Gy)(ρy/ρx)0.5 en la abscisa y una función que contiene 2 en la ordenada. Por lo regular , la relación de flujo Gx/Gy se toma a partir del equilibrio y las consideraciones económicas que se explicarían después en este capítulo, y Gy se determina directamente, mientras que se requiere de la solución por prueba y error si G y y Gx están en ejes separados, como en la Fig. Nº12. Las características del empaque están dadas por un factor de empaque F p el cual disminuye si se aumenta el tamaño del empaque o la fracción de vacío (o fracción hueca). No es posible predecir los factores de empaque a partir de la teoría utilizando la ecuación de Ergun a causa de las formas complejas, y por eso se determinan en forma empírica. Desafortunadamente no hay correlaciones únicas para caída de presión que den un buen ajuste para todos los empaques, y los valores de F p basados en el ajuste de datos para bajas caídas de presión tal vez difieran significativamente de los valores obtenidos a partir del ajuste de datos para altas caídas de presión o por ajuste de datos de la velocidad de inundación. (McCabe, Smith and Harriot, 2000)
Una correlación muy utilizada para estimar caídas de presión en empaques colocados de manera aleatoria se presenta en la Fig. N°6
Dónde: Gx y Gy están en lb/ft 2.s µx: Viscosidad (Cp) ρx y ρy: Densidades expresadas en lb/ft 3
gc: Gravedad especifíca equivalente a 32.174 lb f .s2. Las primeras versiones de esta correlación incluían una línea de inundación por encima de la línea para ∆P
= 1.5 in. H2O/ft de empaque, pero estudios recientes estiman la inundación a caídas de presión de sólo 0.7 a 1.5 in. H 2O/ft para empaques de 2 o 3 in. Una ecuación empírica para el límite de la caída de presión es: ∆PInundación = 0.115
0.7
Dónde: ∆PInundación = Caída de presión de inundación, in H 2O/ft empaque
(McCabe, Smith and Harriot, 2000) Fig. 6: Correlación generalizada para la caída de presión en columnas empacadas (1 in H2O/ft = 817 Pa/m)
Fuente: Operaciones Unitarias en Ingeniería Química Mcabe 7th
Fp = Factor de empaque, adimensional La ecuación ∆PInundación = 0.115
0.7se utiliza para factores de empaque desde 10
hasta 60. Para valores mayores de F P, la caída de presión en la inundación se toma como 2.0 in. H 2O/ft. (McCabe, Smith and Harriot, 2000)
Una correlación alternativa para la caída de presión en columnas empacadas fue propuesta por Stringle y se presenta en la Fig. Nº14. La abcisa es esencialmente la misma que para la Fig. Nº13, pero la ordenada incluye el factor de capacidad CS
√ (− )
CS = uo
Dónde:
Uo: Velocidad Superficial (pies/s) Viscosidad Cinemática del líquido está en centipoise. La gráfica semilogaritmica permite que la interpolación sea más fácil que la gráfica log-log, aunque ambas estén basadas en los mismos datos. ν:
Fig. 7: Correlación Generalizada alternativa de la caída de presión. (1 in. H2O /ft = 817 Pa/m)
Fuente: Operaciones Unitarias en Ingeniería Química Mcabe 7th
Criterios de elección para torres de platos o empacadas: Se puede hacer la elección de una columna empacada con completa seguridad por medio de un análisis de costos. Sin embargo, no siempre será útil o necesario y generalmente se puede hacer la selección basándose en la experiencia considerando las principales ventajas y desventajas de cada tipo, las cuales se enlistan a continuación: Las columnas empacadas no son apropiadas para velocidades de líquido muy bajas Las columnas de platos manejan rangos más amplios de flujos de gas y líquido que las columnas empacadas La eficiencia de un plato se puede predecir con más certeza que el término equivalente para un empaque. Las columnas de platos se pueden diseñar con más garantías que las columnas empacadas. Siempre hay alguna duda de que tan buena pueda ser la distribución del líquido bajo todas las condiciones de operación, particularmente en columnas grandes. Es más fácil proporcionar enfriamiento a una columna de platos, las espirales pueden ser instaladas en los platos. Es más fácil adecuar corriente laterales en una columna de platos. Si el líquido genera residuos o contiene sólidos es más fácil limpiar en una columna de platos. Para líquidos corrosivos generalmente es más barata una columna empacada que la columna de platos equivalente. La retención de líquido es apreciablemente más baja en columnas empacadas que en columnas de platos. Las columnas empacadas son más apropiadas para manejar sistemas espumosos. La caída de presión por etapa de equilibrio puede ser más baja para torres empacadas que para torres de platos y el empaque debería considerarse para columnas de vacío. La torre empacada debería considerarse siempre para columnas con diámetro pequeño, es decir, menor de 0.6m en donde podría ser difícil y costoso instalar los platos. (Palacio Santos, Tapia García y Saldarriaga Molina, 2005).
Tamaños de empaque: En general se debería usar el tamaño más grande de empaque que es apropiado para el tamaño de la columna, hasta 50 mm.Los tamaños pequeños son apreciablemente más caros que los tamaños grandes.Por encima de 50 mm el costo más bajo por metro cúbico normalmente no compensa la menor eficiencia de transferencia de masa. El uso de un tamaño demasiado grande en una columna pequeña puede causar una distribución pobre del líquido. Los rangos de tamaño recomendados se indican en la tabla 3. (Palacio Santos, Tapia García y Saldarriaga Molina, 2005).
Tabla Nº4: Rangos de tamaño recomendados para empaques
Fuente: Métodos y algoritmos de diseño en ingeniería química
DISPOSITIVOS INTERNOS EN UNA TORRE DE EMPAQUE Dispositivos de alimentación: La obtención de un rendimiento de torre deseable requiere la manipulación apropiada de líquido y vapor que entra en la columna. Los tipos de alimentos o entradas en una columna generalmente se pueden clasificar en cuatro categorías principales. Koch-Glitsch ofrece una variedad de dispositivos diseñados para manejar cada una de estas situaciones. Líquido solamente (contiene menos del 1% de vapor por volumen). Mezcla de líquido y vapor, parpadeo o flash suprimido. Sólo vapor. Reboiler devuelve. Factores que se consideran para diseñar un dispositivo de alimentación de líquido es: Tipo de distribuidor.
Rendimiento esperado del distribuidor. Caudal de líquido y vapor. Rango de operación. Grado de líquido sub-enfriado. Si se requiere mezclar con líquido superior.
Alimentación solo de vapor: Hay que tener en cuenta dos factores Elegir el dispositivo adecuado para un vapor Sólo alimentación. 1. La energía cinética del vapor de entrada debe considerarse en relación con el de presión en el lecho empaquetado, la disposición de la boquilla de alimentación y requisitos de separación de torre. 2. Si se produce un desajuste composición y / o temperatura entre la corriente de vapor de entrada y flujo de vapor a granel, mezcla de los dos vapores optimiza el rendimiento del embalaje arriba. Equipos específicos para la distribución de vapor puede no ser necesario si hay suficiente columna disponible para la ecualización o si la caída de presión en el lecho empaquetado es suficiente para proporcionar una adecuada distribución de vapor.
Alimentación solo líquido: En estos casos los factores que se considera en el diseño de un dispositivo de alimentación de líquido; tipo de distribuidor, distribuidor esperado rendimiento, caudal, rango de operación, grado de líquido sub-enfriado y si es necesario mezclar con líquido de cabeza. Cuando el alimento o el líquido de reflujo son significativamente Sub-enfriado, un diseño especialmente puede ser necesaria una disposición de pienso. Un líquido con una temperatura amplia gradiente, incluso si se distribuye correctamente A una cama empacada, puede inducir mal distribución Debido a la condensación irregular. La disposición de alimentación para estas condiciones Depende del tipo de distribuidor. Por favor, consulte un técnico Koch-Glitsch Representante para recomendaciones
Líquido-Vapor y destellos: Para mezclas de vapor de líquido o de alimentación intermitente dispositivos por encima de un distribuidor, depende del tipo de distribuidor, líquido y caudales de vapor, apagado, columna altura necesaria para la separación y distribución de vapor, así como el de mezcla del líquido de entrada con el líquido de arriba En todos los casos, la separación el vapor y las fases líquidas es una preocupación. En algunos casos, los requisitos para la pre-distribución adicional pueden alterar ciertos diseños de distribuidores.
Reboiler Returns: Determinar la necesidad y el tipo del dispositivo requerido para un retorno del recalentador, el primer paso consiste en considerar la condición de la corriente y su energía cinética. Para devoluciones de vapor solamente, la cinética energía del vapor de entrada debe consideradas en relación con la presión gota en el lecho empaquetado, la boquilla de alimentación tamaño y disposición, así como los requisitos de separación de torre. Para un vapor de líquido mezclado o suprimido Flash reboiler flujo de retorno, la selección del dispositivo depende del caudal, relación de flujo de líquido y vapor, flujo Régimen, tamaño y disposición de la boquilla, altura de columna necesaria para la separación de vapor y la separación de la torre requisitos.
Alimentador de INTALOX con alto rendimiento El tubo de alimentación de líquido sólo del modelo 119 se utiliza cuando el líquido se alimenta desde fuera de la columna a un distribuidor o redistribuidor de alto rendimiento KochGlitsch INTALOX. El flujo entrante debe contener menos del 1% de vapor por volumen. El tubo de alimentación del Modelo 119 es un sistema de tuberías medidas que consta de uno o más cabezales en combinación con ramas laterales, tuberías de bajada y / o canales de pre-distribución o cajas de separación que se alimentan directamente a un distribuidor INTALOX. Se limita en el rechazo a una proporción de 2: 1. Los medidores de tubería de alimentación del Modelo 119 fluyen a una o más áreas de alimentación apropiadas, de acuerdo con los requerimientos hidráulicos del distribuidor. La turbulencia excesiva y la velocidad de flujo horizontal en el distribuidor se eliminan.
Fig. N°22: Alimentador con alto rendimiento.
Fuente: Intalox, Packed tower internals. Disponible en: http://www.koch-glitsch.com/Document%20Library/KGMTIG.pdf
Cámara de alimentación intermitente El Modelo 705 es un dispositivo de alimentación de dos fases que está unido a una entrada radial. Mediante el uso de la fuerza centrífuga, el vapor sale de la parte superior de la cámara. El líquido se conduce por el fondo a un distribuidor o pre-distribuidor localizado abajo. Se pueden usar una o más cámaras Modelo 705 en columnas de mayor diámetro si los caudales son adecuados. Para diámetros de columna inferiores a 22 pulg.[530 mm], la cámara de alimentación Modelo 705 está construida en una sola pieza. Para diámetros mayores la cámara está construida en múltiples piezas.
Para tubos de entrada de menos de 4 pulg. [100 mm], la cámara de alimentación del Modelo 705 se conecta a un tubo roscado, de tipo bayoneta (suministrado por otros). Los tamaños de entrada de 4 pulg. [100 mm] y mayores se fijan con una brida como estándar.
Fig. N°23: Cámara de alimentación.
Fuente: Intalox, Packed tower internals. Disponible en: http://www.koch-glitsch.com/Document%20Library/KGMTIG.pdf
Tubo de alimentación El tubo de alimentación Modelo 745 se utiliza para manejar corrientes de entrada parpadeantes separando las fases. El lıquido entra en contacto con una cubeta deflectora angular, promoviendo el desacoplamiento de las fases de lıquido y
vapor. El vapor sale por encima y el líquido es dirigido hacia abajo. El líquido se puede enviar directamente a un distribuidor, un pre-distribuidor o a un colector situado entre los lechos embalados. Una campana de vapor opcional Disponible para mejorar la mezcla del vapor entrante con el flujo de vapor a granel. Este modelo utiliza menos altura de columna que la galería de materiales del Modelo 755, pero se limita la alimentación que parpadea en la entrada de la columna. Todas las piezas están diseñadas para pasar a través del recipiente.
Fig. N°24: Tubo de alimentación.
Fuente: Intalox, Packed tower internals. Disponible en: http://www.koch-glitsch.com/Document%20Library/KGMTIG.pdf
Galería de alimentación de fase intermitente o mixta La galería de alimentación intermitente del Modelo 755 es un dispositivo de alimentación para acomodar flujos mezclados de líquido / vapor o de parpadeo. El flujo entrante está dirigido tangencialmente contra la pared de la torre. Una galería debajo del deflector de entrada recoge líquido en una piscina, permitiendo que la fase de vapor se desenganche. El líquido fluye entonces directamente a un distribuidor o en una caja de separación de una manera controlada. En muchos casos la galería se puede equipar con cubiertas para recoger el líquido de un lecho empacado arriba, proporcionando un dispositivo de combinación de flash con colector de líquido. Fig. N°25: Alimentación.
Fuente: Intalox, Packed tower internals. Disponible en: http://www.koch-glitsch.com/Document%20Library/KGMTIG.pdf
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Intalox,Packed tower internals. Disponible glitsch.com/Document%20Library/KGMTIG.pdf
en:
http://www.koch-
http://www.sulzer.com/mr//media/Documents/ProductsAndServices/Separation_ Technology/Distillation_Absorption/Brochures/Internals_for_packed_columns.p df