Asignatura: Operaciones De Separación De Transferencia De Materia Ii 3 Curso Grado en Ingeniería Química

 ASIGNATURA: OPERACIONES DE SEPARACIÓN DE TRANSFERENCIA DE MATERIA II 3er Curso Grado en Ingeniería Química

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO.

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO

INDICE 1. 2. 3. 4. 5.

Rel elle leno no fr fren ente te a pla plato toss Tipos de relleno Caracte Car acteríst rísticas icas del rell relleno eno idea ideal:l: efic eficacia acia y capac capacidad idad.. Elemen Ele mento toss inte interno rnoss de las las colu column mnas as de rel rellen lenoo Dise Di seño ño de un unaa col colum umna na de re rellllen enoo 5.1.Etapas 5.1. Etapas del del diseño 5.2. Caída de presión: carga e inundación. 5.3. Relación entre eficacia y velocidad de G y L. 5.4. Cálculo del diámetro (capacidad): a) Criterio del punto de inundación. b) Criterio de la máxima capacidad de operación (MOC) c) Criterio de la máxima caida de presión. 5.5. Cálculo de la caida de presión. 5.6. Comprobaciones para validar el diseño. BIBLIOGRAFÍA TERMINOLOGÍA EN INGLÉS

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO

1. RELLENO FRENTE A PLATOS Columna de Relleno (empaquetada)

Columna de platos (pisos)

Contacto continuo

Contacto discontinuo

G fase continua L fase dispersa

L fase continua G fa fase se dispe dispersa rsa

Operaciones de separación: rectificación, absorción, extracción LL…

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO  VENTAJAS DEL RELLENO Más baratas para pequeños diámetros y más sencillas de construir.  Permiten trabajar con sustancias corrosivas, por ejemplo utilizando relleno cerámico.  Más adecuadas cuando el líquido tiene tendencia a formar espuma, debido a que el vapor produce un menor grado de agitación en el relleno que en los platos.  Generan menos caída de presión.  Son preferibles para operaciones a vacío.  Producen menos cantidad de líquido retenido. 

INCONVENIENTES DEL RELLENO Estrecho intervalo de operación para el caudal de líquido: si es demasiado bajo  insuficiente mojado del relleno y si es demasiado grande  inundación.  Cuando el sistema tiende a sedimentar partículas sólidas se produce taponamiento del relleno y es más dificil de limpliar que los platos (agujeros de hombre).  Más problemas de contacto entre fases (G/L) que en las de platos. Ej: canalizaciones.  Para procesos con cambios de T y/o de P bruscos el relleno es susceptible de rotura. 

El uso más frencuente del relleno es en absorción y rectificación a pequeña escala

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO Condiciones que favorecen las COLUMNAS DE RELLENO

Sistemas a vacío   Aplicaciones en que se requieran bajas pérdidas de presión  Columnas de diámetro pequeño  Sistemas corrosivos  Sistemas con tendencia a la formación de espumas y de emulsiones  Bajas cantidades de líquido retenido 

Condiciones que favorecen las COLUMNAS DE PISOS

Sistemas que contienen sólidos   Altas velocidades de líquido  Columnas de diámetro elevado  Columnas complejas  Columnas con composición del alimento variable 

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2. TIPOS DE RELLENO RELLENO al AZAR  Piezas pequeñas de geometría más o menos compleja con las que se rellena la columna dejándolas caer desordenadamente

Barato y con buena eficacia y capacidad si se usa relleno de última generación

RELLENO ESTRUCTURADO (ordenado) Fabricado con tela metálica o láminas metálicas perforadas que se pliegan y organizan regularmente

Más caro que el relleno al azar, pero menor caida de P y mayor eficacia y capacidad

MATERIALES PARA SU FABRICACIÓN: metal, cerámica, vidrio y plástico

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO Ejemplos de relleno al azar Primera generación: anillos Rasching, Lessing, de partición y monturas (sillas) Berl

Segunda generación: anillos Pall, monturas (sillas) Intalox

Tercera generación: Hi-pack, Intalox ultra, Hiflow,…

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO Ejemplos de relleno estructurado

Mellapak (metal)

Flexipac (metal)

(plástico)

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3. CARACTERÍSTICAS DEL RELLENO IDEAL ELEVADA EFICACIA Maximizar la superficie específica. Facilitar la distribución uniforme del gas y del líquido. Facilitar el drenaje de líquido. Facilitar la humectación (mojado) de la superficie del relleno. ELEVADA CAPACIDAD Baja resistencia a la circulación del vapor. Minimizar el rozamiento. Resistencia al flujo de vapor y de líquido uniforme a lo largo de todo el lecho. Facilitar la separación del gas y del líquido. OTROS REQUISITOS  Alta resistencia a la deformación mecánica y/o a la rotura. Poca tendencia al taponamiento por suciedad. Mínima la retención de líquido. Mínimo el coste. •

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TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO EFICACIA Relacionado con la altura de relleno necesaria para conseguir una determinada separación. Una mayor eficacia implica una columna de menor altura y, por tanto, más barata. La eficacia es inversamente proporcional a la HETP y a la HUT. Es una función compleja de muchas variables: Propiedades físicas T, P, composición, densidad, viscosidad, difusividad, tensión superficial… Condiciones hidrodinámicas: caída de P, caudales de L y G. Otros factores: formación de espuma, turbulencia,… •

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pero también de las características del relleno. CAPACIDAD Relacionado con el caudal que se puede procesar en la columna por unidad de área . La capacidad y el caudal de alimento que se ha de tratar fijan el diámetro de la columna. Una mayor capacidad implica una columna de menor diámetro y, por tanto, más barata. Es importante que la columna esté diseñada para operar con un intervalo de flujos de L y G tan amplio como sea posible.

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4. ELEMENTOS INTERNOS DE LAS COLUMNAS DE RELLENO G salida

Limitador de lecho

Eliminador de niebla L entrada Distribuidor de L Lecho de relleno Plato soporte Recolector de L Redistribuidor de L Lecho de relleno

Plato de inyección de gas

Plato soporte G entrada

L salida

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO Eliminadores de niebla Objetivo: Eliminar las pequeñas gotas de líquido arrastradas por el gas antes cuando va a salir de la columna Se puede utilizar una capa de malla de alambre o productos comerciales:

(Koch-Glitsch)

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO Distribuidores de líquido Objetivo: Conseguir una distribución homogénea del líquido que entra en la columna.

(Koch-Glitsch) Redistribuidores de líquido Objetivo: evitar la canalización del L y las zonas secas del relleno. - Su geometría es parecida a los distribuidores de líquido. - Se utilizan cada 3 a 10 veces el diámetro de la columna (dependiendo del tipo de relleno).

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO Platos soporte y Platos de inyección del gas (parte baja del lecho) Objetivo: Soportar el relleno y distribuir el gas de entrada a la columna, al tiempo que el líquido fluye en sentido descendente.

Limitadores de lecho (platos de sujeción o de contención) Objetivo: Se colocan en la parte superior del lecho de relleno para evitar que sea arrastrado.

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5. DISEÑO DE UNA COLUMNA DE RELLENO 5.1. ETAPAS DEL DISEÑO (Por ejemplo para un proceso de absorción) 1º) Elección del líquido absorbente (absorción) o del gas (desorción) 2º) Evaluación de los datos de equilibrio del sistema 3º) Estimar el caudal de líquido absorbente a utilizar en función del mínimo 4º) Decidir el tipo y tamaño del relleno de la columna 5º) Calcular el diámetro 6º) Calcular al altura Temas 2 (cont. discontinuo) y 3 (cont. continuo) 7º) Calcular la caída de presión 8º) Especificar el número y tipo de elementos internos de la columna 9º) Realizar un estudio económico (costes de capital y de operación) para optimizar el caudal de líquido y el diámetro. 10º) Realizar las comprobaciones de diseño requeridas: relación diámetro torre/relleno, valor de la caída de presión, mojado del relleno,…. En este tema…DIÁMETRO

Aspectos hidrodinámicos de la columna

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO 5.2. CAIDA DE PRESIÓN Regímenes de operación: Precarga Carga Inundación •

•

•

DP

es función de los caudales de G y L



Para relleno seco y el G flujo turbulento: (-DP por rozamiento).  DP  v 1.8

G

Si fluye L descendente a bajo caudal la curva se desplaza hacia valores mayores de -DP por la resistencia que ejerce el L al paso del G, pero la pendiente se mantiene constante hasta un cierto valor de vG PUNTO DE CARGA a partir del cual la -DP aumenta mucho con el aumento de vG. El L se acumula en la columna porque el flujo de gas dificulta su movimiento descendente. 

Si se sigue aumentando vG se alcanza el PUNTO DE INUNDACIÓN: Capa de L continua en la parte superior a través de la cual burbujea el gas (inversión de fase) Inundación de la torre  •

•

  o   n   e    l    l   e   r   m    /    O    2    H   m   c    )    P   e    d   a    d    i    d   r    é   p    (   g   o    l

INUNDACIÓN CARGA

Región de carga

Región de precarga

caudal de L

relleno seco

log (velocidad del gas) kg/(s·m 2)

Punto de Carga

de Inundación

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO PROBLEMAS EN LA OPERACIÓN DE COLUMNAS DE RELLENO INUNDACIÓN: La velocidad de G es tan grande que la caída de presión del G se eleva hasta hacer que el L sea arrastrado hacia arriba. •

CANALIZACIÓN: El L (fase dispersa) debe fluir formando una película sobre la superficie del relleno y como gotitas entre unas piezas de relleno y otras. Para flujos bajos de líquido, éste tiende a descender por las paredes de la columna (menor densidad de relleno), mientras que el vapor ascenderá por el centro. Puede llegar a quedar superficie del relleno seca. •

La inundación y la canalización restringen los intervalos (máximo y mínimo) de los caudales de G y L que se pueden procesar en una columna por unidad de área y estos caudales a su vez…  Determinan el diámetro de la misma  pero también influyen en la eficacia del relleno y, por tanto, en la altura.

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO 5.3. RELACIÓN ENTRE EFICACIA  Y VELOCIDAD DE G Y L  Variación típica de la HETP del relleno en función de las velocidades de gas y de líquido (relación cte entre ambas) La eficacia está relacionada con la inversa de la AEPT (o HETP)

      P       T       E       H

C

Diseño       a         i       c       a       c         i         f E

B F

 A E

velocidad del gas velocidad del líquido

Régimen de mala distribución (a la izquierda de A). Irrigación deficiente. Baja eficacia. Régimen de pre-carga (A-B). Eficacia casi independiente del caudal. Zona de DISEÑO. Régimen de carga (B-C). El líquido es la fase continua. (B-E): ↑ eficacia por la retención del líquido. (E-C): ↓ eficacia por un excesivo arrastre de líquido. Régimen de inundación (a la derecha de C). Zona de inestabilidad, arrastre y baja eficacia.

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO Punto A: Mínima velocidad de humectación con la que se consigue que toda la superficie de relleno permanezca mojada. La posición del punto A es muy sensible a la “calidad” de distribución del líquido Cuanto peor se distribuye el líquido se requieren mayores caudales para humectar todo el lecho Diferentes tipos de comportamiento de rellenos al azar en función de la distribución del líquido

      P       T       E       H

Pobre Muy pobre Buena

Desplazamiento del punto A

En general, los rellenos estructurados poseen valores menores de la HETP (mayor eficacia) que los rellenos al azar.

Distribuidor de alto rendimiento velocid ad del gas velocidad del líquido

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO 5.4. CÁLCULO DEL DIÁMETRO (CAPACIDAD) El diámetro de la columna es función de: Caudal de gas a tratar Caudal de gas por unidad de área (velocidad) recomendado (valor de diseño) basado en que •

•

 “la co lum na d eb e o per ar en l a r eg ión d e p rec arga c on la m ayor e fi ca ci a pos ible” 

a) CRITERIO DEL PUNTO DE INUNDACIÓN  Velocidad de vapor que asegure estar suficientemente alejados de las condiciones de inundación.  Velocidad del gas (por área) debe ser el 70-80 % velocidad de inundación b) CRITERIO DE LA MÁXIMA CAPACIDAD DE OPERACIÓN (MOC) Máxima velocidad de vapor que permite una eficacia normal del relleno (pto F)  Velocidad del gas (por área) debe ser 10-20 % por debajo de la MOC. c) CRITERIO DE LA MÁXIMA CAIDA DE PRESIÓN  Velocidad de vapor que asegure que la caida de presión no sobrepasa un valor máximo recomendado (tabulado). Se utilizan los tres métodos y se selecciona el más conservador (mayor diámetro)

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO a) CRITERIO DEL PUNTO DE INUNDACIÓN  Velocidad del gas (por área) debe ser el 70-80 % velocidad de inundación Correlación generalizada de la caida de presión (GPDC) (Sherwood y Eckert; Leva)

0.200 0.100 0.080

1.50 1.00

0.060

0.50

0.040       2  .       0

0.    g 2 v2 F               G       F

0.020

      L

      2

Permite calcular el caudal de gas por unidad de área (G) correspondiente a una determinada caída de presión, incluida la situación de inundación.

      G

    

 GL gc       G

0.25

      C

c  u   r   v  a   d   e   i  n   u  n   d  a   c  i   ó   n  

0.10 0.010 0.008 0.006 0.004

0.002

0.05 pérdida de c arga (pulgadade agua/pie de altura de lecho)

0.001 0.01

0.02 0.04 0.06 0.1

0.2

0.4 0.6

1.0

2.0

4.0 6.0 10.0

1 1 / 2

Parámetro de flujo L = flujo de líquido, lbs -1ft -2

lb·s -1

vG = flujo de gas, F = a/e3 Factor de relleno (tablas) e

= fracción de huecos

·ft2

G = flujo de gas, lbs -1ft -2    = densidad del líquido , lbft -3 L    = densidad del gas, lbft -3 G

F = factor de empaquetamiento

     2 L L  G G     G  L   G L

 =

densidad del agua densidad del líquido

 = viscosidad del líquido, cP g C = constante de gravitaci ón = 32.2

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO 1 / 2 Procedimiento: L  G   1º) Se calcula el parámetro de flujo   en función de los caudales y densidades de G   L   G y L que entran a la columna

2º) Leemos en la gráfica GPDC sobre la curva de inundación el valor de la ordenada

v2 F 0.2 G

3º) Seleccionar el tipo y tamaño de relleno (siguiendo las recomendaciones bibliografía, por ej. Ludwig) y consultar en tablas el valor del factor de relleno (F).

 GL gc

de la

4º) Calcular vG, que es la velocidad del gas correspondiente a inundación (V G,F). 5º) Calculamos la velocidad del gas de diseño, utilizando una fracción recomendada respecto a las condiciones de inundación (f = 0.7 a 0.8): v G,D

 f · v G,F

6º) A partir del caudal por unidad de sección que podemos tratar en la torre (vG,D) y sabiendo el caudal de gas alimento que entra (G) se calcula el área de columna y su diámetro: 2

  4·Area  D   Area   Area  ·  D v G,D    2   7º) Comprobación: comprobar diámetro columna (D) / relleno (dp) > 8 (evitar canalizaciones), si no se cumple hay que seleccionar otro tipo y/o tamaño de relleno y repetir el proceso. Se sugiere como idónea la relación diámetro columna / relleno = 15 (Benitez). G

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO FACTOR DE RELLENO (F) Es un valor numérico que caracteriza la capacidad de flujo de cada tipo y tamaño de relleno (tablas). Para un mismo tipo de relleno, al aumentar el tamaño del mismo disminuye el factor de relleno y disminuye el diámetro de la columna. Fuentes de datos: casas comerciales, libros (Perry Handbook, Strigle, Kister, Benitez, ….) •

•

•

 Alternativa para la curva de inundación: CORRELACIÓN DE KISTER Y GILL DPF

= 0.115 F 0.7

DPF

: caída de presión en el punto de inundación F : factor de relleno con el valor de DPF obtenido, se calcula la v de inundación por alguno de los métodos (gráficas) presentados en el apdo. sobre caída de presión.

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO b) CRITERIO DE LA MÁXIMA CAPACID AD DE OPERACIÓN (MOC) Máxima velocidad de vapor que permite una eficacia normal del relleno (pto F) Diseño: 10-20 % por debajo de la MOC (f=0.8 a 0.9) v G,D

 f · v G,MOC

¿Cómo obtener datos de la MOC (v G,MOC)?  Gráficas GPDC que incluyen también una curva para la MOC  Gráficas HETP en las que se identifica fácilmente pto. F  Correlación de capacidad (ej. Koch-Glitsch): 0.16

0.11

0.16

      P       T       E       H

VG,MOC

C

B F F

 A E

0.11

                    C SC  C O    si  1.03 utilizar 1.03      velocidad del gas  20   0.2   20   0.2  velocidad del líquido CSC = VG,MOC CO = parámetro (m/s) que se lee en gráficas función del parámetro de flujo y del tipo y tamaño del relleno = tensión superficial (dinas/cm)  viscosidad del líquido (cP) =

Relación entre el criterio de inundación y el de la MOC: v G,MOC  0.95 · v G ,Fl Dado que la MOC suele estar un 5% por debajo del punto de inundación y se diseña entre un 80-90% de la MOC, este criterio equivale aprox. a un 76-86% de la v de inundación.

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO c) CRITERIO DE LA MÁXIMA CAIDA DE PRESIÓN  Velocidad de vapor que asegure que la caida de presión no sobrepasa un valor máximo recomendado (tabulado). Se diseña en ese límite. Datos específicos para absorbedores (Tabla 8.4 pag 509 Kister) Máxima caida de presión (pul H2O/pie relleno)

Tipo de sistema No forman espuma Forman espuma  Absorbedores de amina  Absorción de SO3  Absorción atmosférica  Absorción a presión  Absorción de gases ácidos (HF, HCl, SO 2,…) con agua  Absorción de gases ácidos (HF, HCl, SO 2,…) con otros líquidos

0.25-0.40 0.25 0.25 0.25-0.30

0.2-0.4 (2-4 cmH2O/m; 200-400 Pa/m)

0.5-1.0 0.6 0.4

Datos para destilación (Ludwig):  Destilación atmosférica o a presión: 0.5 a 1.0 pul H 2O/pie lecho  Destilación a vacío: 0.10 a 0.25 pul H 2O/pie lecho

 A continuación se opera igual que con el criterio del punto de inundación, pero en el 2º paso se lee en la gráfica GPDC sobre la curva de la caida de presión de diseño, en lugar de sobre la de inundación, para calcular la velocidad del gas que es directamente la de diseño (vG,D).

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO 5.5. CÁLCULO DE LA CAIDA DE PRESIÓN (interpolación gráfica o correlaciones) 1 Los datos más fiables son los que proporciona el propio fabricante del relleno para cada tipo y tamaño de relleno. Ejemplo:  ΔP es función del tipo y tamaño del relleno y de la velocidad de G y L

Fabricante: Koch Glitsch

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO 2 Mediante la versión generalizada de las gráficas de la caida de presión, desarrollada

para facilitar el diseño de las columnas de relleno. Incorpora propiedades físicas de los 0.200 fluidos y del relleno. c  u   1.50 r   0.100 v  a   1.00 Correlación generalizada de d   e   i  n   u  n   0.060 la caida de presión (GPDC) 0.50 d  a   c  i   0.040 (Sherwood y Eckert; Leva) ó   n   0.25 v G2F 0.2 0.020 0.10 GL g 0.010 0.080

      2  .       0

      C

         g       L          

      F

      2

      G

      G

    

Se calculan las coordenadas x (eje abcisas) e y (eje ordenadas), se representa el punto correspondiente y se interpola entre las curvas el vapor de DP

0.008 0.006 0.004

0.002

0.05 pérdida de c arga (pulgadade agua/pie de altura de lecho)

0.001 0.01

0.02 0.04 0.06

0.1

0.2

0.4 0.6

1.0

2.0

4.0 6.0 10.0

1 1 / 2

Parámetro de flujo L = flujo de líquido, lbs-1 ft-2

F = a/e3 Factor de relleno (tablas) vG = flujo de gas, lb·s -1 ·ft2

-1

-2

G = flujo de gas, lbs ft    = densidad del líquido, lbft -3 L    = densidad del gas, lbft-3 G

F = factor de empaquetamiento

2 L L    G  G     G  L   G L

 =

densidad de l agua densidad de l líquido

 = visco sidad

del líquido, cP

g C = constante de gravitació n = 32.2

TEMA 4: DISEÑO DE COLUMNAS DE RELLENO 3

Correlación de Robbins (detalles en Kister) DP1  C1G v 2G

Punto de partida:

(lecho seco)

DP 2  C110(C2vL ) G v 2G

(lecho irrigado a baja velocidad de L) C1 y C2 son constantes; vG y vL son velocidades de G y L basadas en la sección de la torre vacía ROBBINS combina y extiende estas ecuaciones para su utilización en un amplio intervalor de vL. DP

= T1 + T2 T1 → DP debida al rozamiento a través del relleno (único término en la región de precarga). T2 → DP en la región de carga. DP 

C L C 3 G2 10 4 f  f 

  L    0.4 f    20000 

0.1

C L    C 3G2f 10 4 f      

Gf  factor de carga del gas G f 

 0 . 075   G   G 

 0.075  G f   G    G 

0.5

0 .5

 Fpd   20

 Fpd     20 

0.5

10

  

0 .5

0.3G

para P1.0 atm

para P>1.0 atm

C3 = 7.4·10-8 C4 = 2.7·10-5

4

Lf  factor de carga del líquido  62.4   Fpd  L f   L     L   20 

0.5

 62.4   20  L f   L     L   Fpd 

L0.1

para Fpd   15

0.5

L0.1

para Fpd