Columna de Platos

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA INGENIERÍA QUÍMICA QUÍMICA E INDUSTRIAS INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA PETROLERA OPERACIONES DE SEPARACION II COLUMNAS DE PLATOS Profesor: Ingeniero Alberto Cabrales Solís ALUMNOS: Carmona Uriostegui Miguel Ángel Fortanell Magaña Carlos Eduardo Hernández Fuentes Carlos Felipe Martínez Ulin Pedro Antonio Montes de Oca Fragoso Andrés Arturo Ramírez Ramírez Fabiola Tovar López Juan Pablo

GRUPO: 7PV2 Carrera:

Ingeniería Química Petrolera.

Materia: Operaciones de Separación II

Fecha de entrega: Miércoles 22 de Mayo de 2013

Introducción Las torres de contacto se utilizan para operaciones que requieren un íntimo contacto entre dos fluidos (líquido y vapor o líquido líquido). Las operaciones típicas son: DESTILACIÓN: Proceso en que los componentes de una mezcla se separan por la diferencia de volatilidad. ABSORCIÓN: Un componente de una corriente gaseosa se disuelve en un líquido absorbente. EXTRACCIÓN: Un componente disuelto en un líquido se concentra en otro por diferencia de solubilidad. Generalmente la operación de absorción de gases, igual que en otras operaciones básicas, como pueden ser la desorción y la rectificación, se realizan en columnas que son iguales que en el caso de una torre o columna de absorción con relleno. Son cuerpos cilíndricos dispuestos en posición vertical. En su interior se pueden encontrar unos dispositivos (bandejas, platos, ...) El objetivo principal de estos platos es proporcionar una gran superficie de contacto entre las dos fases: la fase gaseosa y la fase líquida. Los platos o bandejas se ponen en contacto con la fase líquida y el gas en contracorriente. Lo que transcurre es una transferencia de materia a causa del gradiente de concentración. El diseño de las columnas de platos se basa en los principios de los cálculos para la determinación del número de platos teóricos, para conseguir una concentración determinada a partir de la técnica de absorción de gases. La utilización de las columnas de platos se realiza básicamente en operaciones a gran escala. 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.

Los tipos de torres de contacto los podemos clasificar en: COLUMNAS DE PLATOS (TRAY COLUMN)   

PLATO TAPA CIRCULAR O CAPUCHA (BUBBLE CAP CONTACTOR) PLATO DE VALVULA (VALVE TRAY CONTACTOR) PLATO DE ORIFICIOS O MALLA (SIEVE TRAY CONTACTOR)

Los tipos más comunes de columnas de platos (tray column) son las de plato de tapa circular o capucha (bubble cap contactor) las de plato de válvula (valve tray contactor) y las de plato de orificios o malla (sieve tray contactor). Las más estudiadas son las de tapa circular disponiéndose para ellas de un número mayor de tablas y ecuaciones empíricas. Actualmente por precio se están utilizando más los otros tipos de platos, pero en general las ecuaciones pueden extrapolarse a ellos. Los factores críticos en el diseño de las columnas de platos necesarios para la operación, además de la determinación del número de etapas teóricas, son: 

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DIAMETRO DE LA COLUMNA. De modo que se evite la inundación (flooding) o la suspensión (entraintment) del líquido en el vapor. (2) La EFICIENCIA de operación de los platos, lo que nos indica cuanto nos acercamos a la operación de equilibrio. (3) La PÉRDIDA DE PRESIÓN a lo largo de cada plato.

Otros factores de importancia son, la apropiada dimensión y forma de los platos (tipo de plato, separación de contactores, distancia,), el flujo de líquido en los platos y vertederos, y la estabilidad de la columna. En la figura 9.2 podemos ver las formas típicas de los tres tipos de platos en operación. Generalmente las columnas de platos son de flujo cruzado (cross flow). Si tenemos platos de orificios y estos son tan grandes que permiten la caída del líquido sin necesidad de vertederos (downcomer), tenemos una columna de platos con flujo a contracorriente (counterflow plate contactor)

CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE COLUMNA. VELOCIDAD MÁXIMA ADMISIBLE DEL VAPOR La velocidad de vapor en una columna de platos está limitada por el arrastre de gotas de líquidos en los gases ascendentes y por la capacidad de los vertederos para manejar el líquido. Una torre debe tener la suficiente sección transversal para manejar los gases ascendentes sin un transporte excesivo de líquido de una bandeja a otra. Souders and Brown dedujeron la siguiente ecuación: Esta

contante

tiene

una

incertidumbre

de

±

25

%

 EFICIENCIA DE LOS PLATOS Una vez calculado el número teórico de etapas necesarias para realizar una separación hay que conocer la relación entre el número ideal y el valor real del equipo. La transformación del número de etapas ideales en el número real se realiza utilizando el concepto de EFICIENCIAS de los platos

TIPOS DE EFICIENCIAS 

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EFICIENCIA GLOBAL DE COLUMNA O EFICIENCIA GLOBAL DE LOS PLATOS. Se define como el número de etapas teóricas dividido por el número real de platos en una columna. EFICIENCIA DE PLATO (MURFHREE EFF) es la relación entre el cambio teórico del equilibrio y en cambio real medio del plato EFICIENCIA PUNTUAL O LOCAL Relación entre cambio teórico de equilibrio teórico y real en un punto del plato.

La Figura 9.5 muestra la diferencia en la eficiencia global para diferentes tipos

de platos en función de la densidad y de la velocidad del vapor. Los factores que influyen son: • Velocidad del vapor • Altura del líquido sobre la abertura del vapor • Espaciado de platos • Longitud de paso del líquido • Resistencia del líquido a la transferencia de masa en la interfase.

CORRELACIONES PARA LA ESTIMACIÓN DE LA EFICIENCIA GLOBAL. Para tipos comunes de columnas de platos operables en el rango de velocidades donde la eficiencia global es constante. O’Connell ha correlacionado los datos de eficiencia en base a la

viscosidad del líquido y la volatibilidad relativa (o solubilidad relativa del gas) el la figura 9.6 para columnas de platos de tapa circular con un paso de líquido de menos de 5 ft y un reflujo próximo al mínimo.

La correlación de la fig. 9.6 se puede extender para incluir los efectos de la altura de líquido y la relación entre flujo de líquido y flujo de vapor. Para un destilador o fraccionador

Para un absorbedor

Donde: Eo = eficiencia global de la columna en % μF = Viscosidad molar media de la alimentación, cp μA= Viscosidad molar media del líquido, cp α = volatibilidad relativa de los componentes clave

m = Fracción molar del soluto en el gas/ fracción molar del soluto en el líquido MA = Peso molecular medio del líquido ρA = Densidad media del líquido lb/ft3

LM'= Flujo molar del líquido lb-mol/hr VM'= Flujo molar medio del vapor lb-mol/hr K Factor que depende del tipo de plato: Tapa circular o capucha: KSCm=+/2 S = Static sumergence (diferencia entre altura del slot y de la presa del vertedero (weir), ft m C = Altura del slot, ft Plato de orificios: K = altura de la presa del vertedero. Plato de válvulas: K = Altura del liquido sobre la base de la válvula.

Estas ecuaciones son válidas siempre que:

Para torres comerciales a ante falta de datos adicionales para columnas trabajando con petróleo o hidrocarburos podemos utilizar la siguiente aproximación: Eo=17-611,log(μF) ....................................................................(9.06)

Valida si:

Perdidas de presión en la columna de platos Conforme pasan los gases a través de una columna de platos la presión de los gases disminuye por las siguientes causas: 1) Perdida de presión a través de los contactores de los platos a) Contracción del gas al pasar por los orificios b) Fricción del gas en los orificios c) Fricción debida a los cambios de dirección d) Paso del gas por los slots en los platos de tapa circular 2) Perdida de presión debida a la altura de líquido sobre las aberturas del gas. Para calcular la pérdida de carga se asume un plato con condiciones de intercambio medias. Los cálculos de perdida de carga en platos de tapa circular, orificio o válvula son similares, solo hay que considerar el cambio de disposición geométrica.

Como regla general, para diseñar correctamente un plato de tapa circular o de válvula se parte de que la pérdida de presión total por plato será dos veces la perdida de presión

equivalente a la altura media de líquido sobre la cabeza de la tapa circular o válvula. Para platos de orificios esta altura será la altura total de líquido sobre el plato.

Pérdida de presión a través del contactor (bubble-cap o sieve) Las causas para la perdida de presión a través de una tapa circular son (Fig. 9.7) (1) contracción, (2) fricción en orificio, (3) cambio de dirección y (4) fricción en espacio anular. En uno de orificios (fig. 9.8) es debida a la (1) contracción y (2) fricción en el orificio. Esta pérdida de presión es función de la altura cinética (Kinetic Head) que vale:

Dónde: V = Velocidad linear máxima ft/s c Para un contactor tipo tapa circular se toma un factor de 6 K.H. con lo que la pérdida en el contactor vale:

Para un contactor de orificios se toma un factor entre 1 y 3 en función de la disposición de los taladros (Fig. 9.9):

La pérdida de presión a través de las ranuras de contactores de tapa circular (slots) depende de la velocidad del gas por las ranuras y de la tensión superficial y se obtienen con la ecuación: Para ranuras rectangulares:

Para ranuras triangulares

OTROS FACTORES DE DISEÑO

PLATOS DE TAPA CIRCULAR O CAPUCHA (BUBBLE CAP TRAY) Factores característicos en el diseño de un plato de tapa circular son: • Tamaño de la tapa circular (bubble -cap) y de el alzador del orificio (riser)

El rango de tamaño esta en diámetro de tapa de 4 a 7 in. Modelo estándar de tamaño 6 in de tapa y 4 in de alzador . Para torres a vacío son de 3 in y 2 in respectivamente. Los de tipo túnel son de 3 a 6 in de ancho y 12 in o más de largo. • Velocidad en la ranura (slot)

Una vez determinado el tamaño del contactor hemos de conocer su número. Fijamos este por la velocidad permisible del gas a través de los slots. Esta velocidad está limitada por:

En general el área en el orificio (riser), en las ranuras (slots) y en el anillo son iguales para reducir pérdidas de carga. La separación entre contactores es de 1 a 3 in y la separación de la tapa a la carcasa es del orden de 2 in . El área de orificios (riser) es del orden del 10 al 20 % de área de la sección transversal de la columna. PLATOS DE MALLA U ORIFICIOS (SIEVE TRAY) El tamaño de los orificios es de 1/8 a ½ in con un tamaño standard de 3/16 in. Los espesores del plato van de 0.1 a 0.7 veces el diámetro del orificio. La disposición del taladro es triangular equilátera con relación de distancia/diámetro de 2.0 a 5.0 con un valor standard de 3.8

PLATOS DE VALVULA (VALVE TRAY) Se caracterizan porque tienen un rango de trabajo muy amplio (relación caudal máximo/caudal mínimo de 10). El diseño y dimensiones dependen del modelo siendo los diámetros típicos de los orificios del orden de 1,5 in . La tapa de la válvula puede tener de ¼ a ½ in de altura. CARCASA Y PLATOS La carcasa se construye generalmente en secciones cilíndricas cortas que se unen posteriormente por medio de tornillos para formar un cilindro largo. Dispone de entradas de boca de hombre para acceso y limpieza. El material de la carcasa y los platos depende de las características de corrosión de los fluidos. Puede utilizarse vidrio, plásticos, acero recubierto de vidrio o resinas y como no metales. El material más característico es acero al carbono. Los platos deben estar nivelados para el perfecto funcionamiento siendo las tolerancias de diseño de ±1/8 in y de trabajo de ± 1/2 in ESPACIADO DE PLATOS El espaciado de los platos se tiene en función del diámetro de la columna en la tabla:

Generalmente no se utiliza menos de 18 in para evitar la suspensión del líquido en el gas, ni menos de 24 in cuando es necesario el acceso. VERTEDEROS Y PRESAS (DOWNCOMERS AND WEIRS) Los vertederos deben diseñarse de forma que el tiempo de residencia del líquido en lquido. La altura de líquido en el vertedero debe ser inferior al 50 % dela distancia entre platos. El sellado del líquido entre el borde inferior del vertedero y el nivel de líquido ha de ser de ½ a 1½ in.El valor de la altura de la presa en el borde superior del vertedero es fundamental para el control de la perdida de presión. Si llamamos (static sumergence) a la distancia entre el borde superior de las ranuras y el borde de la presa, este debe tener los siguientes valores

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