TORRES EMPACADAS

UNIVERSIDAD “SAN LUIS GONZAGA DE ICA” FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA TORRES EMPACADAS Las torres empacadas, 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 liquido 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. Son usadas para destilación, absorción de gases, y extracción liquido-liquido.

El empaque de la torre debe ofrecer las siguientes características:

1. Proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el gas. La superficie del empaque por unidad de volumen de espacio empacado an 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.

Objetivos de los empaques Objetivos para maximizar eficiencia

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Maximizar el área específica (área por unidad de volumen): Esto maximiza el área de contacto liquido-vapor, y por lo tanto la eficiencia. Para empaques al azar, la eficiencia generalmente se incrementa a medida que la partícula disminuye; para empaques estructurados, la eficiencia generalmente se incrementa a medida que el espacio entre capas adyacentes disminuye, y para parrillas, la eficiencia generalmente aumenta a medida que disminuyen los espacios.

2.

Extender el área uniformemente: esto mejora el contacto liquido vapor, y por lo tanto la eficiencia

3.

Proporcionar distribución uniforme de liquido y vapor a lo largo del lecho empacado: La distribución uniforme mejora la eficiencia. Los empaques estructurados dan mejor distribución.

4.

Minimizar la retención de liquido: la retención de liquido disminuye la eficiencia.

Objetivos para maximizar la capacidad 1.

Maximizar el espacio vacío por unidad de volumen; Esto minimiza la resistencia al flujo de vapor, y entonces aumenta la capacidad.

2.

Conseguir una resistencia uniforme para el flujo de vapor y liquido a lo largo del lecho empacado.

3.

Conseguir fácil desprendimiento del vapor desde el liquido.

Otros objetivos 1. 2.

Maximizar la resistencia a la deformación mecánica y /o rotura y, especialmente, a la deformación debido al peso del lecho. Minimizar el costo.

3.

Evitar la formación de incrustaciones. Se evita a medida que el tamaño del relleno aumenta

5.

Minimizar el deterioro del servicio: La geometría y el tamaño de los empaques afectan la sensibilidad de los empaques a la corrosión, erosión, ataque químico, y migración a través de las mallas de soporte.

Tipos de Columnas Empacadas

Las columnas empacadas se clasifican según el empaque, así tenemos 2 tipos: 1. Columnas Empacadas con Empaque al Azar o Aleatorios 2. Columnas Empacadas con Empaque Regulares Empaques al azar CURSO: MAQUINARIAS INDUSTRIALESIX CICLO “A”

UNIVERSIDAD “SAN LUIS GONZAGA DE ICA” FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 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. Actualmente, son fabricados los empaques al azar mas utilizados; los tipos mas comunes son: Los anillos de Rasching son cilindros huecos, cuyo diámetro va de 6 a 100 mm (l in a 4 in) 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 (ti a 3 in); 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. Los Tellerettes y algunas de sus modificaciones se pueden conseguir con la forma que se muestra y en 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 mj/s (ca. 500 ft3/min), 50 mm o mayores para un flujo del gas de 1 m3/s (2000 ft3/min). 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.

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Algunos empaques al azar para torres.

Empaques regulares Hay gran variedad de estos empaques. Los platos de contracorriente, que ya se consideraron, son una forma de empaque regular. Los empaques regulares 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 CURSO: MAQUINARIAS INDUSTRIALESIX CICLO “A”

UNIVERSIDAD “SAN LUIS GONZAGA DE ICA” FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 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 (NeoKloss), u otros arreglos de gasa metálica (Koch-Sulzer, 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 Los mezcladores estáticos se forman originalmente como mezcladores en línea, para mezclar dos fluidos mediante flujo paralelo. Hay varios diseños, pero en general constan de dispositivos en forma de rejas para huevos; los dispositivos se instalan en un tubo; causan una multitud de roturas de fluidos que fluyen a corriente paralela en corrientes izquierdas y derechas; cada corriente se rompe en otras más pequeñas. Se ha mostrado que estos dispositivos son útiles para el contacto entre gas-líquido a contracorriente, poseen buenas características de transferencia de masa a caídas bajas de presión del gas.

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Empaques regulares o amontonados.

Plato de sosttn Multibeam 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

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UNIVERSIDAD “SAN LUIS GONZAGA DE ICA” FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA evolucionaron desde las monturas Berl. Esta segunda generación de empaques es todavía popular y extensivamente usada en prácticas modernas de destilación.

Empaques de segunda generación

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 250ºF. Otros plásticos se pueden usar para altas temperaturas, pero estos tienden a ser más costosos

•

Evolución de los EMPAQUES ESTRUCTURADOS

Los empaques estructurados comenzaron a usarse desde los primeros años de la década del 40. los primeros empaques estructurados, tales como el Panapak no se hicieron populares debido a que no fueron marketeados agresivamente. Además en ellos se CURSO: MAQUINARIAS INDUSTRIALESIX CICLO “A”

UNIVERSIDAD “SAN LUIS GONZAGA DE ICA” FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA aprecio el efecto de la mala distribución de líquido. La primera generación de empaques estructurados raramente se usa en nuestros días. La segunda generación de empaques estructurados viene desde los últimos años de la década del 50, tienen una alta eficiencia y son los empaques de malla de alambre tal como el Goodloe, Hyperfit y la Koch-Sulzer. En los primeros años de la década del 70, estos empaques han tenido un gran uso en destilaciones al vacío, donde su baja caída de presión es su principal ventaja. En estos servicios, son extensamente usados ahora.

Empaque de láminas corrugadas

Los empaques de láminas corrugadas, introducidos primero par la Sulzer en los últimos años de la década de 1970, iniciaron una tercera generación de empaques estructurados. Con una alta capacidad, bajo costo y baja sensibidad 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.

ELECCIÓN ENTRE PLATOS O EMPAQUES 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. CURSO: MAQUINARIAS INDUSTRIALESIX CICLO “A”

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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 liquido 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 de liquido 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 liquido 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 liquido es apreciablemente menor en una columna empacada que en una columna de platos. Esto puede ser importante cuando se necesita mantener la cantidad de líquidos tóxicos o inflamables en la columna, tan baja 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 mas 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, menores a 0,6 m donde los platos son dificultosos de instalar, y costosos. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE COLUMNAS EMPACADAS

El diseño de una columna empacada involucra las siguientes etapas: 1.

Seleccionar el tipo y tamaño de empaque.

2.

Determinar la altura de la columna para la separación especificada.

3.

determinar el diámetro de la columna (capacidad), para manipular los flujos de liquido y vapor.

4.

Seleccionar y diseñar los dispositivos internos de la columna; Soportes de empaque, distribuidos de liquido, redistribuidores.

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USOS INDUSTRIALES COLUMNA DE DESTILACIÓN Principios de operación Este es uno de los tipos de dispositivos de transferencia de materia más utilizados en la industria, consistente en el acoplamiento de unidades o etapas sucesivas. Una unidad o etapa recibe dos corrientes, una fase V y una fase L, procedentes de dos etapas adyacentes, se ponen en contacto y se descargan las fases L y V, respectivamente, hacia las mismas unidades adyacentes. Para que exista transferencia de materia es preciso que las corrientes que entran en cada etapa no estén en equilibrio, ya que es la separación de las condiciones de equilibrio lo que proporciona el gradiente para la transferencia. Las corrientes que salen no están generalmente en equilibrio, pero sí mucho más próximas al mismo de lo que lo estaban las corrientes de entrada. La proximidad al equilibrio depende de la eficacia de la mezcla y de la transferencia de materia entre fases. Para simplificar el diseño se supone que las corrientes que salen de las etapas están en equilibrio, concepto de etapa ideal, y con posterioridad se aplica un factor de corrección o eficacia para tener en cuenta esta separación del equilibrio. Descripción de la instalación Se alimenta a la columna cerca de su parte central con un determinado flujo y una concentración definida. El plato en el que se introduce la alimentación recibe el nombre de plato de alimentación. Todos los platos por encima de éste, constituyen la sección de rectificación, mientras que todos los platos por debajo de la alimentación, incluyendo el plato de alimentación, constituyen la sección de agotamiento. La alimentación desciende por la sección de agotamiento hasta el fondo de la columna, donde se mantiene un nivel de líquido definido. El líquido fluye por gravedad hasta el calderín, que genera vapor y lo devuelve al fondo de la columna, comenzando así el ascenso por la columna de dicho vapor. Del calderín se extrae el producto de cola. Los vapores que llegan a la parte superior de la columna se condensan totalmente en un condensador. Parte de este condensado se devuelve al plato superior de la torre y parte se extrae como producto. Esta corriente de líquido recibe el nombre de reflujo. El líquido que desciende es el que iteraciona con el vapor ascendente. Si no se forman azeótropos, los productos de cabeza y cola pueden obtenerse con una pureza elevada si hay suficientes platos y utilizando un reflujo adecuado. Ventajas y aplicaciones La variedad de las columnas de rectificación y sus aplicaciones es enorme. Las mayores unidades se encuentran generalmente en la industria del petróleo, pero también existen columnas grandes y plantas de destilación muy complicadas en el fraccionamiento de disolventes, en la separación del aire líquido y en los procesos químicos en general. Diagrama de flujo CURSO: MAQUINARIAS INDUSTRIALESIX CICLO “A”

UNIVERSIDAD “SAN LUIS GONZAGA DE ICA” FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Esquema de una destilación típica con un equipo de “flash” previo. Columna de destilación

ABSORCIÓN GAS-LÍQUIDO Principios de operación La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia consiste en poner un gas en contacto con un líquido para que éste disuelva determinados componentes del gas, que queda libre de los mismos. La absorción puede ser física o química, según que el gas se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico. En una sección cualquiera de la columna están en contacto un gas y un líquido que no están en equilibrio, por lo que se produce una transferencia de materia. La fuerza impulsora actuante es la diferencia entre la presión parcial en el gas del componente que se transfiere y la presión parcial que tendría el componente en un gas que estuviera en equilibrio con el líquido del punto considerado Descripción de la instalación Un aparato frecuentemente utilizado en absorción de gases es la torre de relleno. El dispositivo consiste en una 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; salidas para el gas y el líquido por cabeza y cola, respectivamente; y una masa soportada de cuerpos sólidos inertes que recibe el nombre de relleno de la torre, el cual puede ser cargado al azar en la torre o bien ser colocado ordenadamente a mano. La entrada de líquido se distribuye sobre la parte superior del relleno mediante un distribuidor y, en la operación ideal, moja uniformemente la superficie del relleno. El gas que contiene el soluto asciende a través de los hendiduras del relleno en contracorriente con el flujo de CURSO: MAQUINARIAS INDUSTRIALESIX CICLO “A”

UNIVERSIDAD “SAN LUIS GONZAGA DE ICA” FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA líquidos, y así el líquido se enriquece de soluto a medida que desciende por la torre. El relleno proporciona una gran área de contacto entre el líquido y el gas, favoreciendo así un íntimo contacto entre las fases, y la mayoría de los rellenos de torre se construyen con materiales baratos, inertes y ligeramente ligeros, tales como la arcilla, porcelana o diferentes plásticos. A veces se utilizan anillos metálicos de pared delgada, de acero o aluminio. Por último cabe mencionar que el diámetro de una torre de absorción depende de las cantidades de gas y líquido tratadas, sus propiedades, y la relación de una corriente a otra, y que la altura de la torre, y por tanto el volumen del relleno, depende de la magnitud de las variaciones de concentración que se desean y de la velocidad de transferencia de materia por unidad de volumen de relleno. Ventajas y aplicaciones Uno de los ejemplos típico es la absorción de amoniaco contenido en una mezcla con aire, mediante tratamiento con agua líquida. El soluto se puede recuperar posteriormente del líquido por destilación y el líquido absorbente puede desecharse o bien ser reutilizado. En definitiva, la absorción gas-líquido se utiliza siempre que tengamos una corriente gaseosa, en la cual haya un componente que queramos eliminar, desde los procesos petroquímicos hasta la purificación de un residuo gaseoso. Diagrama de flujo Proceso de lavado de un gas. Absorción gas-líquido

EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO Principios de operación Esta técnica se utiliza para separar dos líquidos miscibles utilizando un disolvente que disuelve preferentemente a uno de ellos. En extracción es preciso recuperar el disolvente, generalmente por destilación, para su reutilización y la operación combinada es más CURSO: MAQUINARIAS INDUSTRIALESIX CICLO “A”

UNIVERSIDAD “SAN LUIS GONZAGA DE ICA” FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA compleja y, con frecuencia más costosa que la destilación sola sin extracción. Puesto que la mayor parte de los métodos de extracción continua usan contactos en contracorriente entre dos fases, muchos de los fundamento de la absorción de gases se pueden aplicar a la extracción líquido-líquido, cuestiones como etapas ideales, eficacias, etcétera. Descripción de la instalación En extracción, lo mismo que en absorción de gases, es preciso poner en buen contacto dos fases para permitir la transferencia de materia y separar después las fases. Con frecuencia las fases son difíciles de mezclar y todavía más difíciles de separar. El extracto es la capa de disolvente más el soluto extraído y el refinado es la capa de la que se ha separado el soluto: el extracto puede ser más o menos denso que el refinado, de forma que pueda salir por la parte superior del equipo y otras por el fondo. Los equipos de extracción más representativos son columnas de pulverización, torres de relleno y columnas de platos perforados. Uno de los más sencillos es la torre de pulverización, la cual opera en contacto diferencial y no por etapas, teniendo lugar la mezcla y sedimentación de forma simultánea y continua. El líquido menos denso se introduce por el fondo y se distribuye en pequeñas gotas por medio de las boquillas A. Las gotas del líquido ligero ascienden a través de la masa de líquido más pesado que desciende por la torre como una corriente continua. Las gotas se recogen en l a parte superior y forman la corriente del líquido más ligero que sale por la cima de la torre. El líquido más pesado sale por el fondo de la torre. Hay una transferencia continua de materia entre las fases, y la composición de las fases varía a medida que circula por la torre. La velocidad de transferencia es relativamente baja en comparación con absorción o destilación y una columna alta puede ser equivalente a sólo una pocas etapas ideales. Se puede aumentar la transferencia de materia en la torre, llenando la columna con cuerpos de relleno tales como anillos o monturas. Ventajas y aplicaciones Cuando la separación por destilación es ineficaz o muy difícil, la extracción líquido-líquido es una de las alternativas a considerar. Uno de los principales usos son las mezclas con las temperaturas de ebullición próximas, como derivados del petróleo, o sustancias que no pueden soportar la temperatura de destilación, con frecuencia se separan por extracción, que utiliza diferencias de estructura química en vez de diferencias de volatilidades. La extracción puede utilizarse para separar más de dos componentes y en algunas aplicaciones se requiere una mezcla de disolventes en vez de un solo disolvente. Diagrama de flujo Extracción de ácido acético en disolución acuosa. Extracción líquido-líquido

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