Unidad IV Columnas Empacadas de Platos. Operaciones Unitarias Teoria (1)

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA DE LA FUERZA ARMADA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA PETROQUIMICA CÁTEDRA: OPERACIONES UNITARIAS I NÚCLEO ZULIA- EXTENSION BCV

COLUMNAS EMPACADAS Y DE PLATOS

Integrantes: Batista, Alí C.I: 21.230.122 Alvarado, Oswaldo C.I: 23.735.118 Prieto, Nuyerling C.I: 20.381.776 Valbuena, Chirley C.I: 22.059.230 Vera, Edgar C.I: 19.835.488

Sección: 06IPED07 Profesora: Adalana Rosales

Maracaibo, Enero de 2013

INDICE

Contenido

Página

 INTRODUCCIÓN……………………………………………………… 3  MARCO TEÓRICO…………………………………………………….. 4 1. DISEÑO DE COLUMNAS EMPACADAS Y DE PLATOS PARA SISTEMAS LIQUIDO-VAPOR Y LIQUIDO-LIQUIDO …………………………………... ……4 2. RELLENOS DESORDENADOS Y RELLENOS ESTRUCTURADOS……….. 3. DISEÑO HIDRÁULICO DE TORRES…………………………………………… 4. SELECCIÓN DE RELLENO ……………………………………………………… 5. CALCULO DE DIÁMETRO, ALTURA Y CAÍDA DE PRESIÓN EN LA COLUMNA…………………………………………………………………………. 6. DISEÑO DE PLATOS PARA CONTADORES LIQUIDO-VAPOR………...…..  CONCLUSIÓN…………………………………………………………….  BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………

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INTRODUCCIÓN En las Operaciones Unitarias más comunes como lo es la destilación, humidificación y absorción de gases o humidificación son llevadas a cabo en un laboratorio, y se emplean en columnas o comúnmente llamadas torres de separación.

Las Torres empacadas ocupan un lugar destacado en las industrias de transformación físico-químicas ya que juegan un papel fundamental en la transferencia de masa y de calor que requieren el contacto directo entre fases inmiscibles. Una gran parte de los estudiantes de ingeniería y aun muchos profesionales carecen de una preparación suficiente en el conocimiento de esta temática planteada como es el

principio de operación, diseño y

características de funcionamiento de las columnas empacadas o comúnmente llamadas torres de relleno y las columnas de platos o torre de empaque.

Es por ello que el siguiente trabajo aborda el estudio de los

aspectos

relativos de columnas empacadas y de platos, su diseño respectivo para sistemas liquido-vapor y liquido-liquido. Se plantean las características propias de los tipos de empaques; desordenados y estructurados; así como la implementación y diseño hidráulico de torres, los principales requerimientos para la selección de relleno de una torre o columna. Se desarrolla el módulo de cálculo para determinar el diámetro, altura y caída de presión en la columna y finalmente se incluye el diseño de platos para contadores liquido-vapor; cumpliendo con los objetivos planteados de la investigación.

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MARCO TEÓRICO 1. DISEÑO DE COLUMNAS EMPACADAS Y DE PLATOS PARA SISTEMAS LIQUIDO-VAPOR Y LIQUIDO-LIQUIDO La absorción de gases es una operación de separación que consiste en transferir uno o varios gases contenidos en una mezcla gaseosa hacia un líquido solvente selectivo por medio del contacto directo entre ambas fases. Se lleva a cabo en columnas o torres de separación. Clasificación de columnas: 1. Columna de pared húmeda o película. 2. Columna de platos 3. Columna empacada. 4. Columna agitada

TORRE EMPACADA O COLUMNAS EMPACADAS

La torre empacada es un dispositivo simple en comparación con las torres de platos. Estas torres utilizan empaques como dispositivos de contacto. Las columnas empacadas se especifican por lo común cuando los dispositivos de platos no son factibles, debido a características indeseables del fluido o algún requisito especial de diseño.

Las columnas empacadas representan el cuerpo de la torre. Esta puede ser de madera, metal, porcelana química, ladrillo a prueba de ácidos, vidrio, plástico, metal cubierto de plástico o vidrio, u otro material, según las condiciones de corrosión.

Para

facilitar

su

construcción

y

aumentar

su

resistencia,

generalmente son circulares en la sección transversal. En su interior se alojan materiales que la rellenan (Empaques). Las columnas empacadas son utilizadas en una gran gama de procesos, como destilación, extracción, humidificación (deshumidificación) y en absorción gaseosa.

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Las torres empacadas se usan como equipos de contacto para sistemas liquido-gas y liquido-liquido. Estas torres consisten básicamente de: 1. Carcasa o envolvente. 2. Empaque. 3. Soportes. 4. Distribuidores de líquidos. 5. Redistribuidores 6. Boquillas de Entradas y salidas del líquido y gas.

Dentro del recipiente se colocan los dispositivos que permiten el contacto entre las fases, las cuales pueden ser empaques o platos. El diseño de una columna de relleno

o empacada supone las siguientes

etapas: 1. Seleccionar el tipo y el tamaño del relleno. 2. Determinar el diámetro de la columna (capacidad) necesario en función de los flujos de líquido y vapor.

3. Determinar la altura de la columna que se necesita para llevar a cabo la separación específica. 4. Seleccionar y diseñar los dispositivos interiores de la columna: distribuidor del líquido de alimentación, redistribuidores de líquido, platos de soporte y de inyección del gas y platos de sujeción. PLATOS O EMPAQUES Este tipo de equipos se usan para proveer un contacto íntimo entre las fases que coexisten en un proceso determinado que se sucede a contracorriente; esto proporciona grandes áreas de contacto interfacial con el objeto de facilitar el intercambio de masa, calor o ambos simultáneamente. En general se recomienda seleccionar un tamaño de empacado menor al 10% del diámetro de la columna. Se ha observado que en general, la eficiencia de transferencia de masa es similar para empacados del mismo tamaño. 5

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; salidas para el gas y el líquido por cabeza y cola; respectivamente y una masa soportada de cuerpos solidos inertes que recibe el nombre de relleno de la torre. El soporte ha de tener una gran fracción de área libre de forma que no se produzca inundación en el plato de soporte. La entrada del líquido, que puede ser disolvente puro o una disolución diluida del soluto en el disolvente puro o una disolución y que recibe el nombre de líquido agotado, 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 o gas rico, entra en el espacio de distribución situado debajo del relleno y asciende a través de los intersticios del relleno en contracorriente con el flujo de líquidos. El relleno proporciona una gran área de contacto entre el líquido y el gas, favoreciendo así un íntimo contacto entre las fases. El soluto contenido en el gas rico es absorbido por el líquido fresco que entra en la torre, y el gas diluido o agotado abandona la torre. El líquido se enriquece en soluto a medida que desciende por la torre y el líquido concentrado sale por el fondo de la torre. En la siguiente figura se muestra la torre de relleno o empaque:

Figura 1. Torre de Relleno

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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 debe ser grande, pero no en el sentido microscópico. Los pedazos de coque, por ejemplo, tienen una superficie grande debido a su estructura porosa, pero la mayor parte de la superficie será cubierta por la película del líquido que escurre. De todas maneras, la superficie específica de empaque a., es casi siempre más grande que la superficie interfacial líquido-gas. 2. Poseer las características deseables del flujo de fluidos. Esto generalmente significa que el volumen fraccionario vacío, E, 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. Más aún, la caída de presión del gas debe ser principalmente el resultado de la fricción pelicular, si es posible, puesto que es más efectivo que formar arrastres al promover valores elevados de los coeficientes de transferencia de masa. 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. Ha de tener un coste razonable.

2. RELLENOS DESORDENADOS Y RELLENOS ESTRUCTURADOS

Se han diseñado muchos tipos de torres y muchas de ella son de tipo frecuente. El relleno puede ser cargado al azar en la torre o bien colocado ordenadamente a mano. Los rellenos al azar consisten en unidades de ¼ a 3 pulgadas en su dimensión mayor; los rellenos inferiores a 1 pulg se utilizan fundamentalmente en columnas de laboratorio o de planta piloto. Las unidades de relleno ordenado son de tamaños comprendidos entre 2 y 8 pulg.

Por tanto, la mayoría de los rellenos de torre se construyen con materiales baratos, inertes y relativamente ligeros, tales como arcilla, porcelana o diferentes plásticos. A veces se utilizan anillos metálicos de pared delgada, de 7

acero o aluminio. La porosidad del lecho y el paso para los fluidos se fuerzan haciendo las unidades de relleno irregulares o huecas, de forma que se entrelazan para dar lugar a estructuras abiertas con una porosidad de 60 a 95 por 100.

Los empaques se pueden clasificar de acuerdo a su tipo de acomodo dentro de ella en: * Aleatorios, se denominan así a los empaques que se dejan caer dentro de la columna y su arreglo permanece como al azar. * Ordenados, son empaques en piezas que se deben ordenar de uno en uno dentro de la columna, de acuerdo con las instrucciones del proveedor. * Estructurados, son estructuras metálicas que forman una sola pieza dentro de la columna y que se fabrica de acuerdo con las dimensiones de la misma.

Tipos de empaques más utilizados  Empaques con acomodo aleatorio: a) Anillos Raschig de cerámica, metal, vidrio y plástico. b) Anillos ranurados de metal (tipo paII). c) Anillos perforados de metal. d) Monturas Berl de cerámica. e) Monturas Intalox de cerámica.  Empaques acomodados ordenadamente: a) Anillos hacinados de Raschig. b) Rejillas o vallas de madera. c) Malla de alambre tejida.  Empaques estructurados: a) Empaques de lámina de metal estructurada Mellapak. b) Empaques de lámina de metal estructurada Flexipak. c) Empaques de lámina de metal estructurada Intalox.

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En la figura 2. Se representan algunos tipos frecuentes de cuerpos de relleno.

Figura 2. Cuerpos de relleno típicos: a) montura de Berl; b) montura Intalox; c) anillo Raschig; d) anillo Pall.

3. DISEÑO HIDRÁULICO DE TORRES

4. SELECCIÓN DE RELLENO

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5. CALCULO DE DIÁMETRO, ALTURA Y CAÍDA DE PRESIÓN EN LA COLUMNA

6. DISEÑO DE PLATOS PARA CONTADORES LIQUIDO-VAPOR

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BIBLIOGRAFIA 1. TREYBAL, R. E. Operaciones de Transferencia de masa. Segunda Edición en español, Editorial McGraw-Hill Interamericana, México, 1996.

2. PERRY, R. H.; GREEN, D. W. Manual del Ingeniero Químico. Séptima Edición, Vol. I. Editorial Mc Graw Hill, New York, 1997.

3. MOTT,

R.

L.,

Mecánica

de

Fluidos

Aplicada,

Prentice

Hall

Hispanoamericana, S.A, México. 4. MCCABE W.L.; SMITH, J.C. y HARRIOT, P. (1994). “Operaciones unitarias de Ingeniería Química”. McGraw-Hill. Madrid.

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