Diseño de columnas de contacto continuo

   OPERACIONES DE TRASFERENCIA DE  DE MASA II

Elaborado por Yarelly Méndez Farías

COLUMNAS DE CONTACTO• 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 volatibilidad.

• 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.

• Los tipos de torres de contacto los podemos clasificar en:

• COLUMNAS DE PLATOS (TRAY COLUMN) • En las columnas de platos la operación se lleva a cabo en etapas. El plato va a proporcionar una mezcla íntima entre las corrientes de líquido y vapor. El líquido pasa de un plato a otro por gravedad en sentido descendente, mientras que el vapor fluye en sentido ascendente a través de las ranuras de cada plato, burbujeando a través del líquido.

• PLATO TAPA CIRCULAR O CAPUCHA (BUBBLE CAP CONTACTOR)

• PLATO DE VALVULA (VALVE TRAY CONTACTOR) 

• PLATO DE ORIFICIOS O MALLA (SIEVE TRAY CONTACTOR)

•

• COLUMNAS DE RELLENO O EMPAQUETADAS (PACKED TOWERS) 

•  RELLENO ALEATORIO (RANDOM PACKING) • Rellenos tipo anillo, silla,... •  RELLENO ESTRUCTURADO (STRUCTURED PACKING)

• Rellenos tipo rejilla, o anillo estructurado

COLUMNAS DE PLATOS

• 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

FACTORES DE DISEÑO

•  (1)  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. 

• 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.

• 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.

• Si tenemos en cuenta la tensión superficial del líquido podemos mejorar la precisión con la ecuación de Fair:

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 Columnas De Contacto  

DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES

• (1) 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. 

• (2) EFICIENCIA DE PLATO (MURFHREE EFF) es la relación entre el cambio teórico del equilibrio y en cambio real medio del plato 

• (3) EFICIENCIA PUNTUAL O LOCAL Relación entre cambio teórico de equilibrio  teórico y real en un punto del plato.

• Factores que influyen en la eficiencia  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 interface.

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)  Pérdida 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 .

• Pérdida 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 pérdida 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.

OTROS FACTORES DE DISEÑO 

• 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 car-casa 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 válvu-la puede tener de ¼ a ½ in de altura. largo.

• 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 tole-rancias de diseño de ±1/8 in y de trabajo de ± 1/2 in 

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 ellos sea al menos de 5 segundos para permitir salir el vapor emulsionado en el líquido. 

• 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:

COMPARACIÓN ENTRE TORRES DE CONTACTO • La selección entre una columna de platos o una de relleno 

depende de conceptos económicos. Sin embargo en un estudio preliminar podemos basar su selección en las siguientes ventajas e inconvenientes de cada una de ellas 

•  • 1.- La eficiencia de una torre de relleno se basa en datos 

experimentales para cada tipo de relleno. La eficiencia varía no solo por el tipo y tamaño del relleno sino también por las propiedades del fluido, caudales, diámetro de columna etc. 

•  • 2.- Si el flujo de líquido es pequeño comparado con el del gas es 

preferible utilizar columnas de platos pues necesitan menores factores de seguridad en el diseño por causa de la dispersión del líquido. 

•

• 3.- Las columnas de platos pueden manejar un rango más amplio de caudales sin inundación. 

•  • 4.- Si los líquidos tienen sólidos en suspensión se prefieren torres de platos por la facilidad de limpieza. 

•  • 5.- Si se necesita enfriamiento intermedio de la columna es preferible que sean de platos por la facilidad de la instalación del sistema de enfriamiento.

• 6.- El peso total de una columna de platos es menor que en una de relleno si están vacías, en cambio llenas tienen un peso similar 

• 7.- La información de diseño de una columna de platos es mas accesible que en una de relleno.

•  • 8.- Si hay grandes cambios de temperatura son preferibles las columnas de platos pues el incremento de temperatura puede romper el relleno.

•  • 9.- Los tamaños de las torres empaquetadas son menores a 4 ft en diámetro y las columnas de platos son mayores a 2 ft en diámetro.

•  • 10.-Las columnas de rellenos son más fáciles de construir y más baratas si trabajamos con fluidos corrosivos. 

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• 11.-Si tenemos líquidos con gran tendencia a formar espuma se deben utilizar torres empaquetadas.

•  • 12.-El almacenamiento de líquido en la columna es muy inferior para las torres de relleno.

•  • 13.-Las torres de relleno tienen menos pérdida de carga que las de platos y el relleno. 

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COSTE DE TORRES DE CONTACTO 

• El coste de compra de una torre de platos o una torre de relleno se puede dividir en los siguientes puntos: 

• 1.- Coste de la carcasa incluyendo cabezales, camisas de sujeción, bocas de hombre y toberas. 

• 2.- Coste de los elementos internos como platos, accesorios, empaquetado, soportes y platos de distribución. 

• 3.- Coste de elementos auxiliares como plataformas, escaleras, pasamanos y aisla-mientos. 

PROBLEMA