Torre de Absorción.

22 de agosto de 2012

Columnas Empacadas Principios y Características.

Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas. Equipo 2.

Índice. INTRODUCCIÓN. I. COLUMNAS EMPACADAS. ESTRUCTURA DE LAS COLUMNAS EMPACADAS II. EMPAQUE CLASIFICACIÓN DE LOS EMPAQUES POR SU ACÓMODO INTERNO EMPAQUES AL AZAR -TIPOS DE EMPAQUES AL AZAR -MATERIALES DE LOS EMPAQUES AL AZAR EMPAQUES ESTRUCTURADOS -TAMAÑO DEL EMPAQUE -APLICACIÓN -VENTAJAS III. CARACTERÍSTICAS DE DISTINTOS TIPOS DE EMPAQUES o

o





o o o o o o o o o

IV. V. VI. VII. VIII.

MONTURA BERL CERÁMICA. MONTURAS INTALOX CERÁMICA. MONTURAS INTALOX METAL. MONTURAS INTALOX PLÁSTICO (POLIPROPILENO). ANILLOS PALL METAL. ANILLOS PALL PLÁSTICO. ANILLOS RASCHING CERÁMICA. ANILLOS RASCHING ACERO. HY- PAC (ACERO).

VENTAJAS Y DESVENTAJAS. MEZCLAS BINARIAS. MEZCLAS COMPLEMENTARIAS. CONCLUSIÓN. FUENTES DE INFORMACIÓN.

INTRODUCCIÓN  ABSORCIÓN DE GASES Es una operación de transferencia de materia en la cual un vapor soluble se absorbe desde su mezcla con un gas inerte por medio de un líquido en el que el gas (soluto) es más o menos soluble. DESORCIÓN Consiste en que un soluto se remueve de un líquido poniendo este último en contacto con un gas inerte (inversa a la absorción) y también es conocida como desorción de gases o eliminación. TORRES EMPACADAS 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 columnas verticales que se han llenado con empaque o con dispositivos de superficie grande. El líquido se distribuye sobre éstos y escurre hacia abajo, a través del lecho empacado, de tal forma que expone una gran superficie al contacto con el gas. Es un aparato que se utiliza con frecuencia en la absorción de gases, el aparato consiste en una torre o columna cilíndrica equipada con una entrada de gas y un espacio de distribución en la parte inferior; una entrada de liquido y un distribuidor  en la parte superior: salidas para gas y liquido por la parte superior e inferior y una masa soportada de cuerpos sólidos inertes. La figura muestra una torre rellena típica, el flujo es a contracorriente, el gas entra por la parte inferior de la torre y se mueve ascendentemente y pasa a través de las capas de empaquetaduras. 1. Capas de empaquetaduras o rellenos. 2. La rejilla de soporte se construye con un material resistente. 3. El líquido entra por la parte superior de la torre y se distribuye uniformemente por toda la sección transversal de la torre con ayuda del distribuidor 

I. COLUMNAS EMPACADAS Las columnas empacadas son usadas para destilación, absorción de gases, y extracción liquido-liquido. La desorción (“stripping”) es el invers o de la absorción y se aplican los mismos métodos de diseño. El contacto liquido  – gas en una columna empacada es continua, no por etapas, como en una columna de platos. El flujo de liquido cae hacia abajo en la columna sobre el área de empaque y el gas o vapor, asciende en contracorriente, en la columna. En algunas columnas de absorción de gases se usa corrientes en flujo co-corriente. El performance de una columna empacada depende mucho del mantenimiento de una buena distribución de líquido y gas a través del lecho empacado, y esto es una consideración importante en el diseño de columnas empacadas

ESTRUCTURA DE LAS COLUMNAS EMPACADAS

II. EMPAQUE El empaque debe ofrecer las siguientes características: 1. Proporcionar una superficie inter-facial grande entre el líquido y el gas. La superficie del empaque por unidad de volumen de espacio empacado debe ser  grande, pero no en el sentido microscópico. 2. Poseer las características deseables del flujo de fluidos. Esto generalmente significa que el volumen fraccionario vacío, o fracción de espacio vacío, en el lecho empacado debe ser grande. El empaque debe permitir el paso de grandes volúmenes de fluido a través de pequeñas secciones transversales de la torre, sin recargo o inundación; debe ser baja la caída de presión del gas. 3. Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se están procesando. 4. Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la instalación. 5. Tener bajo precio . Los empaques son principalmente de dos tipos: aleatorios o al azar y regulares o estructurados.

CLASIFICACIÓN DE LOS EMPAQUES POR SU ACÓMODO INTERNO Se clasifican en: forma aleatoria o al azar estructurado. 

y como empaques ordenado o

EMPAQUES AL AZAR

Los empaques al azar son aquellos que simplemente se arrojan en la torre durante la instalación y que se dejan caer en forma aleatoria. En el pasado se utilizaron materiales fácilmente obtenibles; por ejemplo, piedras rotas, grava o pedazos de coque; empero, aunque estos materiales resultan baratos, no son adecuados debido a la pequeña superficie y malas características con respecto al flujo de fluidos. Los anillos de Raschig  son cilindros huecos, cuyo diámetro va de 6 a 100 mm o

más. Pueden fabricarse de porcelana industrial, que es útil para poner en contacto a la mayoría de los líquidos, con excepción de álcalis y ácido fluorhídrico; de carbón que es útil, excepto en atmósferas altamente oxidantes; de metales o de plásticos. Los plásticos deben escogerse con especial cuidado, puesto que se pueden deteriorar, rápidamente y con temperaturas apenas elevadas, con ciertos solventes orgánicos y con gases que contienen oxígeno. Los empaques de hojas delgadas de metal y de plástico ofrecen la ventaja de ser ligeros, pero al fijar los

límites de carga se debe prever que la torre puede llenarse inadvertidamente con líquido. Los anillos de Lessing  y otros con particiones internas se utilizan con menos

frecuencia. Los empaques con forma de silla de montar, los de Berl  e Intalox  y sus variaciones se pueden conseguir en tamaños de 6 a 75 mm; se fabrican de porcelanas químicas o plásticos. Los anillos de Pall , también conocidos como Flexirings , anillos de cascada y, como una variación, los Hy-Pak , se pueden obtener de metal y de plástico.

Generalmente, los tamaños más pequeños de empaques al azar ofrecen superficies específicas mayores (y mayores caídas de presión), pero los tamaños mayores cuestan menos por unidad de volumen. A manera de orientación general: los tamaños de empaque de 25 mm o mayores se utilizan generalmente para un flujo de gas de 0.25 m³/s, 50 mm o mayores para un flujo del gas de 1 m³/s. Durante la instalación, los empaques se vierten en la torre, de forma que caigan aleatoriamente; con el fin de prevenir la ruptura de empaques de cerámica o carbón, la torre puede llenarse inicialmente con agua para reducir la velocidad de caída.

TIPOS DE EMPAQUES AL AZAR Históricamente hay tres generaciones de evolución en empaques al azar: La primera generación (1907 a los años 50) constaba de dos tipos simples, los anillos Rasching, las monturas Berl y los anillos Lessig, que fueron los ancestros de los modernos empaques estructurados. Estos empaques han sido reemplazados por empaques más modernos y raramente son usados en la práctica moderna de destilación.

La segunda generación (desde los últimos años 50 a los primeros años 70) se produjo dos geometrías populares; los anillos Pall, los cuales evolucionaros desde los anillos Rasching, y las monturas Intalox, las cuales evolucionaron desde las monturas Berl. Esta segunda generación de empaques es todavía popular y extensivamente usada en prácticas modernas de destilación.

La tercera generación (desde la mitad de los años 70 a la actualidad) ha producido una multitud de geometrías, la mayoría de las cuales han evolucionado a partir de las monturas Intalox y anillos Pall.

MATERIALES DE LOS EMPAQUES (EMPAQUES AL AZAR)

Metales. Empaques de acero al carbono son usualmente la primera elección para servicios con fluidos no corrosivos. Comparados a cerámica y plásticos, estos normalmente ofrecen alta capacidad y eficiencia, y un amplio rango de geometrías, y son resistentes a la compresión. Para servicios con fluidos corrosivos se recomienda el acero inoxidable, Cerámica. Los empaques de cerámica han declinado su popularidad. Comparados a los plásticos, los empaques de cerámica son rompibles, tienen baja capacidad y no están disponibles en muchas de las geometrías populares. Los empaques de cerámica son frecuentemente especificados en operaciones donde se pueda aprovechar su alta resistencia a los ataques químicos y altas temperaturas como el caso de absorción de ácido sulfúrico. Plásticos . El polipropileno es barato y es el más popular cuando la temperatura no exceda los 250°F. Otros plásticos se pueden usar para altas temperaturas, pero estos tienden a ser más costosos EMPAQUES ESTRUCTURADOS Los empaques estructurados o integrales son dispositivos que funcionan como contactores gas-líquido, lecho o empaques en columnas de absorción, desorción, destilación y extracción líquido-líquido. Estos materiales fueron empleados por  primera vez a nivel industrial hace 40 años por la compañía suiza SULZER Inc. con el propósito de aumentar la eficiencia en la separación y reducir la caída de presión del gas al pasar por el lecho, disminuir los requerimientos de inventarios y aumentar la calidad del producto. El relleno o empaque es el elemento más importante para la adecuada respuesta de las torres o columnas, ya que es donde se realiza el contacto líquido - gas y se lleva a cabo la transferencia de masa. Se hacen grandes esfuerzos para 

incrementar la efectividad en el contacto y reducir pérdidas en el proceso por  arrastre de vapor y por efectos de caída de presión. Los empaques estructurados se hacen en capas de malla de alambre u hojas corrugadas. Secciones o partes de estos empaques son colocados dentro de la columna. Los elementos de empaque estructurado se construyen de hojas cerámicas, metálicas, plásticas o de malla plástica o metálica. Las hojas se encuentran corrugadas y se colocan en forma oblicua adyacentemente para cubrir  el área transversal de la columna, formando así un ángulo con respecto al eje de la columna. Los elementos de empaque se apilan a 90º entre ellas. Este arreglo crea celdas de mezclado con las intersecciones entre los canales de las hojas adyacentes, transversal y longitudinalmente, produciendo una excelente dispersión radial del gas y del líquido

Los empaques de láminas corrugadas, introducidos primero por la compañía Sulzer en la década de 1970, iniciaron una tercera generación de empaques estructurados. Con una alta capacidad, bajo costo y baja sensibilidad a los sólidos suspendidos, lo cual le permite una alta eficiencia, estos empaques comenzaron a tener un uso más popular. A partir de la década de los 80 se aprecia un acelerado aumento en la popularidad de los empaques estructurados, hasta el punto de hacerlos una de las partes internas más populares de las columnas en uso en nuestros días.

Tamaño del empaque En general el tamaño más grande de empaque que es conveniente para el tamaño de columna que debe usarse, es de 50 mm. Pequeños tamaños son apreciablemente más caros que los tamaños grandes. Por sobre los 50 mm el menor costo por metro cúbico normalmente no compensa la baja eficiencia de

transferencia de masa. Uso de grandes tamaños en pequeñas columnas puede causar una mala distribución de líquido.

Entre algunos materiales característicos de este tipo podemos encontrar el material Kolch Sulzer, hecho de gasa tejida, corrugada y conformada de tal manera que proporcione canales estrechos con un área superficial elevada, en cambio el flexipac (también conocido como Mellapac), está hecho de hoja metálica corrugada que puede estar perforada o no con pequeños orificios.

APLICACIÓN: El uso de los empaques estructurados permite, entre otros beneficios, incrementar la eficiencia de separación de los procesos, reducir  pérdidas de presión, disminuir inventarios, así como una mayor calidad en el producto. VENTAJAS o

o

o

o

Los empaques estructurados ofrecen las ventajas de una menor caída de presión para el gas y un flujo mayor, generalmente a expensas de una instalación más costosa que la necesaria para los empaques aleatorios. Los anillos hacinados de Raschig son económicos solo en tamaños muy grandes. Hay varias modificaciones de los empaques metálicos expandidos. Las rejillas o “vallas” de madera no son caras y se utilizan con frecuencia

cuando se requieren volúmenes vacíos grandes; como en los gases que llevan consigo el alquitrán de los hornos de coque, o los líquidos que tienen partículas sólidas en suspensión. La malla de lana de alambre tejida o de otro tipo, enrollada en un cilindro como sí fuese tela (Neo-Kloss), u otros arreglos de gasa metálica (KochSulzer, Hyperfil y Goodloe) proporcionan una superficie interfacial grande de líquido y gas en contacto y una caída de presión muy pequeña; son especialmente útiles en la destilación al vacío.

III.

CARACTERÍSTICAS DE DISTINTOS TIPOS DE EMPAQUES

Montura Berl, Cerámica Las monturas Berl son de porcelana, se les coloca desordenadamente, son muy eficaces y su tamaño varía entre 1,5 y 7,5 cm. o

Las características de las sillas de montar Berl son: un rendimiento más alto por  una superficie específica más grande, producción ampliada, tienen resistencia ácida excelente y resistencia térmica. Puede resistir a la corrosión de varios ácidos inorgánicos, de ácidos orgánicos y de solventes orgánicos excepto el ácido fluorhídrico, y puede ser utilizada en condiciones de la alta o baja temperatura. Por lo tanto la gama del uso es muy ancha. Puede ser utilizada en industria química, industria de la metalurgia, industria petrolera del carbón, industria productora del oxígeno. Montura Intalox, Cerámica. Las Monturas anilladas Intalox de cerámica, son una clase de empaque de cerámica aleatorio, tienen buena resistencia a los ácidos y al calor. Pueden hacer  frente a la corrosión generada por ácidos inorgánicos, ácidos orgánicos y solventes excepto el HF y puede ser usada en temperaturas bajas y altas. o

Las monturas anilladas de Intalox de cerámica pueden ser usadas para secar, absorber, refrigerar y regenerar torres empacadas en industrias tales como la química, gas de hulla y separación del aire.

o

Empaque Tipo Anillos Rashig Los anillos de Raschig son cilindros huecos, cuyo diámetro va de 6 a 100 mm o más. Pueden fabricarse de porcelana industrial, que es útil para poner en contacto a la mayoría de los líquidos, con excepción de álcalis y ácido fluorhídrico; de carbón que es útil, excepto en atmósferas altamente oxidantes; de metales o de plásticos. Los plásticos deben escogerse con especial cuidado, puesto que se pueden deteriorar, rápidamente y con temperaturas apenas elevadas, con ciertos solventes orgánicos y con gases que contienen oxígeno. Los empaques de hojas delgadas de metal y de plástico ofrecen la ventaja de ser ligeros, pero al fijar los límites de carga se debe prever que la torre puede llenarse inadvertidamente con líquido. Los anillos hacinados de Raschig son económicos solo en tamaños muy grandes.

Hy-Pac Los Hy-Pak, se pueden obtener de metal y de plástico. Generalmente, los tamaños más pequeños de empaques al azar ofrecen superficies específicas mayores (y mayores caídas de presión), pero los tamaños mayores cuestan menos por unidad de volumen. A manera de orientación general: los tamaños de empaque de 25 mm o mayores se utilizan generalmente para un flujo de gas de 0.25 m³/s, 50 mm o mayores para un flujo del gas de 1 m³/s. Durante la instalación, los empaques se vierten en la torre, de forma que caigan aleatoriamente; con el fin de prevenir la ruptura de empaques de cerámica o carbón, la torre puede llenarse inicialmente con agua para reducir la velocidad de caída.

IV. VENTAJAS Y DESVENTAJAS La elección entre columnas de platos o empaques para una aplicación particular  puede ser hecha solamente en base a los costos para cada diseño. Sin embargo, esto no siempre será posible, o necesario, y la elección puede usualmente hacerse, sobre la base de la experiencia mediante la consideración de las principales ventajas o desventajas de cada tipo, las cuales son listadas a continuación. 1. Las columnas de platos pueden ser diseñadas para manipular un amplio rango de velocidades de flujo de gases y líquidos antes que las columnas empacadas. 2. Las columnas empacadas no son convenientes para velocidades de líquido muy bajas. 3. La eficiencia de un plato puede predecirse con mayor certidumbre antes que el término equivalente para empaques (HTU o HETP). 4. Las columnas de platos pueden diseñarse con mayor seguridad que las columnas empacadas. Siempre hay alguna duda de poder mantener una buena distribución del líquido a través de una columna empacada bajo las condiciones de operación, particularmente en columnas grandes. 5. Es fácil hacer previsiones para enfriamiento en una columna de platos; los enfriadores pueden instalarse en los platos. 6. En columnas de platos es fácil hacer previsiones para salida de corrientes laterales. 7. Si el líquido causa incrustaciones, o contiene sólidos, en columnas de platos es fácil hacer previsiones para la limpieza. Con pequeños diámetros de columna, puede ser más económico usar empaques y reemplazarlos cuando se han formado incrustaciones. 8. Para líquidos corrosivos, usualmente es más económica una columna empacada antes que su equivalente de platos. 9. La retención de líquido es apreciablemente menor en una columna empacada que en una columna de platos. Esto puede ser importante cuando se necesita como sea posible por razones de seguridad. 10. Las columnas de platos son más adecuadas para manejar sistemas que forman espuma.

11. La caída de presión por etapa de equilibrio (HETP) puede ser más baja para una columna empacada que para una columna de platos; y los empaques deben considerarse para columnas al vacío. 12. Los empaques deben considerarse siempre para columnas con diámetro pequeño.

V. MEZCLAS BINARIAS Se considera en este punto que el gas se constituido por un inerte B (componente que no es transfiere) y el soluto A, mientras que el líquido lo estará por otro inerte C (el disolvente) y el soluto A. La transferencia tendrá lugar desde la fase gas hasta a la fase líquida.

VI. MEZCLAS MULTICOMPONENTES Cuando son varios los componentes que se transfieren, el problema se complica desde el punto de vista del modelo matemático. Una dificultad adicional radica en la escasez de datos sobre este sistema. La dificultad se puede superar, en muchos casos, considerando ideal su comportamiento. Cuando esta hipótesis no sea aceptable, se deberá recorrer a procedimientos de estimación. En la absorción de multicomponentes se suele fijar la recuperación (separación) de uno de los compuestos (componente clave o de referencia). Para esta separación se realiza el cálculo del número de etapas (contacto discontinuo) o de la altura del relleno (contacto continuo) necesarias. Con estos datos se puede calcular la recuperación del resto de componentes. VII. CONCLUSIÓN En este breve artículo de las torres de absorción se logró especificar las características y especificaciones de una torre de absorción, las partes en que se componen, la función de cada tipo de empaque, desde los tipos cerámicos, plástica y metálica. VIII. FUENTES DE INFORMACIÓN http://www.cepis.ops-oms.org/bvsci/e/fulltext/orienta2/lecc8/lecc8_2f.html Biblioteca virtual de desarrollo sostenible y salud ambiental http://es.wikipedia.org/wiki/Absorci%C3%B3n_%28qu%C3%ADmica%29#Torres_e mpacadas_.28o_de_relleno.29

http://www.inin.gob.mx/publicaciones/documentospdf/EMPAQUES.pdf  http://es.scribd.com/doc/36913492/COLUMNAS-EMPACADAS http://www.scielo.cl/scielo.php?pid=S0718-07642006000400014&script=sci_arttext