Guia 3 Fraccionamiento

7/30/2019 Guia 3 Fraccionamiento

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ELABORADO POR. ING. ANDREEDUIS RODRIGUEZ.

Introduccin

Al describir las distintas operaciones unitarias, ya se introdujeron

algunas nociones sobre los aparatos ms utilizados industrialmente. Se

esquematizaron algunos equipos y se introdujeron algunos conceptos sobre las

columnas de pisos y columnas de relleno. En este tema vamos a ampliar los

conocimientos sobre estos dispositivos dada su importancia a nivel industrial,

estudiando algunos de los parmetros de diseo que se deben tener en cuenta,

problemas que pueden plantear, partes de que consta. El estudio se centrar

en equipos de contacto lquido-vapor y lquido-lquido.


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Parmetros de diseo

Antes de intentar el diseo de un equipo, deben estar bien definidas la

presin de trabajo, la temperatura, velocidades de flujo, composicin de la

alimentacion de manera que el problema de diseo consiste en construir un

dispositivo que lleve a cabo la operacin que deseamos y sea econmico,

seguro y fcil de operar.

Entre los parmetros de diseo ms importantes cabe destacar: la

capacidad del equipo, la cada de presin, costos, facilidad de operacin y

eficacia de las etapas.

Capacidad. Los datos de equilibrio de un sistema establecen el nmero

de etapas de contacto necesarias para producir una determinada separacin.

Aunque este nmero de etapas es independiente del flujo de alimento, las

dimensiones fsicas del equipo (particularmente el dimetro) aumentar

proporcionalmente con el flujo que circule a su travs, siendo tales

dimensiones funcin de la hidrodinmica y del tiempo que se precisa en cada

etapa.

Es importante que una columna est diseada para operar con un

intervalo de composiciones y flujos tan alto como sea posible. Los parmetros

estructurales, tales como la relacin (altura/dimetro), deciden con frecuencia

la posibilidad de realizacin prctica (un ingeniero tendra muchas dificultades

para encontrar un contratista serio para construir una columna de 40 m de

longitud y medio metro de dimetro).

Cada de presin. Este parmetro es particularmente importante

cuando es preciso operar en condiciones de alto vaco (posibilidad de

descomposiciones trmicas o de reacciones qumicas no deseadas).


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Costos. Adems de los costos de los platos o relleno de la columna, hay

que contabilizar los costos de la carcasa, bombas auxiliares, intercambiadores

de calor, caldera, condensador.Estos cuestan de tres a seis veces ms que

aquellos. Tambin son de gran importancia los servicios (electricidad, vapor,

agua de refrigeracin).

Facilidad de operacin. En todo proceso hay un nmero importante de

potenciales problemas de operacin. En el caso de la utilizacin de las

columnas de relleno para poner en contacto una fase lquida con una fase

vapor, los problemas ms comunes que pueden presentarse son:

Inundacin. Esta condicin ocurre cuando las velocidades del vapor

y /o el lquido son tan grandes que la cada de presin del gas es superior a la

carga neta de gravedad del lquido, que de esta forma es arrastrado hacia

arriba en la columna.

Canalizacin. La funcin del relleno es promover la turbulencia de los

fluidos y la transferencia de materia mediante la dispersin del lquido que

fluye sobre la superficie del relleno y por el interior del mismo Si el flujo del

lquido y/o vapor es muy bajo, o si la alimentacin lquida no se distribuyeuniformemente sobre el relleno, tender a descender por las paredes mientras

que el vapor circula por la parte central.

A velocidades muy bajas puede no haber suficiente lquido para mojar la

superficie del relleno. La inundacin y la canalizacin restringen los intervalos

de los flujos de lquido y vapor para la operacin de la columna, marcando el

lmite mximo de operacin. Consideraciones de tipo prctico (como fijar una

eficacia mnima y una cada de presin mxima) limitan an ms el intervalo

de trabajo.


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Aunque las columnas de platos pueden generalmente operar dentro de

intervalos ms amplios de los flujos de vapor y lquido que las columnas de

relleno, tienen tambin sus propios problemas:

Formacin de espuma. Si se forma un nivel de espuma elevado, el

lquido es arrastrado por el gas hasta la etapa siguiente y las eficacias de

separacin disminuyen. Por otra parte, la espuma puede tambin arrastrar

vapor hacia la etapa inferior. En casos extremos, los tubos de bajada del

lquido se pueden llenar totalmente de espuma y provocar inundacin de una

forma anloga a lo que ocurre en columnas de relleno.

Por otra parte, las columnas de platos pueden inundarse an cuando

no se forme espuma si las cadas de presin o las velocidades de flujo del

lquido son suficientemente grandes para que el nivel de lquido sobrepase el

espaciado entre los platos, dando lugar a retroceso del lquido en los tubos de

descenso.

Arrastre. An cuando el nivel de espuma formado sobre el lquido del

plato no es muy alto, si la separacin del lquido y el vapor que se han puesto

en contacto es inadecuada, parte de esa espuma se mezcla con el lquido delplato superior, disminuyendo as la eficacia. El arrastre se debe con frecuencia

a un tamao inadecuado de los tubos de descenso del lquido o del espaciado

entre los platos.

Mala distribucin del lquido. Si los platos de la columna son muy

grandes o estn mal diseados puede variar la altura del lquido a travs del

plato dando lugar a un apreciable gradiente hidrulico. Esto puede provocar un

flujo no uniforme del gas. Las medidas habituales de prevencin consisten en

utilizar varios tubos descendentes o pasos y divisiones en los platos, o bien

dirigir el flujo de vapor de forma que fuerce el lquido a circular a travs del

plato.


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Goteo. Muchos platos slo cuentan con la presin del gas para

mantener el lquido sobre el plato, de forma que en el punto de goteo,

comienza a caer lquido a travs de los orificios de los platos. El caso extremo

recibe el nombre de vaciamiento.

Eficacia. La eficacia de una columna de platos se mide en funcin de la

eficacia del plato, es decir, en funcin de la diferencia existente entre la

composicin de las corrientes que abandonan una etapa con respecto a las

composiciones de las mismas en el caso de que estuviesen en equilibrio. La

eficacia de una columna de relleno se mide en funcin de la eficacia del

relleno, que es inversamente proporcional a la altura equivalente a un plato

terico (HETP). Los valores de la eficacia de los platos y de la HEPT son

funciones complejas de muchos factores: temperatura, presin, composicin ,

densidad, viscosidad, difusividad, velocidades de flujo del lquidoy vapor,

tendencia a la formacin de espuma, turbulencia del lquido y del vapor,

tamao de las burbujas.

Columnas de relleno

El diseo de una columna de relleno supone las siguientes etapas:

1. Seleccionar el tipo y el tamao del relleno.2. Determinar el dimetro de la columna (capacidad) necesario en funcin

de los flujos de lquido y vapor.

3. Determinar la altura de la columna que se necesita para llevar a cabo laseparacin especfica.

4. Seleccionar y disear los dispositivos interiores de la columna:distribuidor del lquido de alimentacin, redistribuidores de lquido,platos de soporte y de inyeccin del gas y platos de sujecin.


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Tipos de relleno

Los principales requisitos que debe cumplir el relleno de una columna

son:

a) Proporcionar una gran rea superficial: rea interfacial alta entre el gasy el lquido.

b) Tener una estructura abierta: baja resistencia al flujo de gas.c) Facilitar la distribucin uniforme del lquido sobre su superficie.d) Facilitar el paso uniforme del vapor a travs de toda la seccin de la

columna.

Para satisfacer estos requerimientos se han desarrollado distintos tipos

de relleno. Se pueden dividir en dos grupos: relleno ordenado (dispuesto de

una forma regular dentro de la columna) y relleno al azar.

Los primeros (rejas, mallas, rellenos ordenados) tienen una estructura

abierta, y se usan para velocidades de gas elevadas donde se necesita unaprdida de presin baja (por ejemplo en las torres de enfriamiento). La

interfase vapor-lquido es estacionaria y depende fundamentalmente del

mojado de la superficie y la capilaridad. Por tanto, es de esperar que haya

buena eficacia an para flujos de lquido bajos.

Los rellenos al azar son ms comunes. Con este tipo de relleno (al igual

que en las columnas de platos), la interfase de vapor-lquido se crea por

combinacin de los efectos de penetracin de superficie, burbujeo y formacin

de niebla. En la Figura 1 se muestran los principales tipos de rellenos

comerciales. Cada uno de estos tipos tiene sus caractersticas de diseo,

tamao, densidad, rea superficial, factor de relleno (constante determinada

experimentalmente, relacionada con el cociente entre el rea del relleno y el


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cubo de la fraccin hueca del lecho, que se utiliza para predecir la cada de

presin y la inundacin del lecho en funcin de las velocidades de flujo y de las

propiedades de los fluidos).

Estas propiedades se pueden encontrar tabuladas en distintos manuales.

Por ejemplo la Tabla 1 muestra estos datos para una serie de rellenos.

Los anillos Raschig son el tipo de relleno ms antiguo (data de 1915) y

todava estn en uso. Los anillos Pall son esencialmente anillos Raschig en los

que se ha aumentado la superficie de contacto, con lo que se mejora la

distribucin del lquido. Las sillas Berl fueron desarrolladas para mejorar la

distribucin del lquido comparada con los anillos Raschig.

Las sillas Intalox pueden considerarse como una mejora de las Berl, ya

que por su forma es ms fcil de fabricar. Para construir estos rellenos se

utilizan diversos materiales: cermica, metales, plsticos y carbono. Los anillos

de metal y plstico son ms eficaces que los de cermica puesto que sus

paredes pueden ser ms finas.


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La eleccin del material depender de la naturaleza del fluido y la

temperatura de operacin: el empaquetado cermico es til para lquidos

corrosivos pero no para disoluciones fuertemente alcalinas. El plstico es

atacado por algunos disolventes orgnicos y slo debe usarse cuando no se

sobrepasan temperaturas moderadas (por ejemplo no son tiles en columnas

de rectificacin). Tanto el relleno metlico como especialmente el cermico se

pueden romper fcilmente. En general, el mayor tamao de relleno aceptable

en una columna es de 50 mm. Los tamaos ms pequeos son ms caros que

los mayores, pero por encima de 50 mm la eficacia en la transferencia de

materia disminuye considerablemente. El uso de partculas de relleno

demasiado grandes puede causar una distribucin pobre del lquido.


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Dimetro de la columna

La capacidad de una columna de relleno viene determinada por su

seccin transversal. Normalmente, la columna se disear para operar con la

prdida de carga que resulte ms econmica y que asegure una buenadistribucin del lquido y del gas. Para columnas con relleno al azar, la prdida

de carga normalmente no excede los 80 mm H2O por m de altura de relleno.

En estas condiciones, la velocidad del gas ser de, aproximadamente, un

80 % la velocidad de inundacin. Los valores recomendados en absorbedores

son de 15 a 50 mm H2O/m de altura de relleno y en destilacin a presiones

moderadas de 40 a 80 mm H2O/m de altura de relleno. Para destilaciones

a vaco, la mxima prdida de carga se determinar en funcin de losrequerimientos del proceso, aunque para una distribucin satisfactoria del

lquido la prdida de carga no debiera ser menor de 8 mm H2O/m.

La seccin de la columna y su dimetro para una prdida de carga

seleccionada puede determinarse a partir de la grfica presentada en la Figura

2, donde se correlaciona la relacin entre las velocidades de flujo del lquido y

el vapor, las propiedades fsicas del sistema y las caractersticas del

empaquetado con el flujo msico de gas por unidad de rea para distintos

valores de la prdida de carga.


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donde VW = flujo msico del gas por unidad de rea (kg/m2s)

Fp = factor de relleno, propio del relleno seleccionado


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Los valores del factor de flujo FLV dados en la Figura 2 cubren el

intervalo habitual de trabajo. Una vez que se conoce el valor de V*w es fcil

conocer el rea de la columna que se necesita para cada flujo de gas: conocido

por la separacin deseada la relacin V*/L* (kg de gas/kg de lquido), se

puede calcular la abscisa y si se fija la perdida de presin aceptable se puede

calcular K4, de ella V* y por tanto la seccin.

Altura del lecho empaquetado

Para disear una columna de rectificacin de relleno, el tratamiento ms

simple es considerar que se trata de una columna de pisos y utilizar el

concepto de altura equivalente de un plato terico (HETP). La HETP es la altura

de relleno que produce la misma separacin que una etapa de equilibrio. En

destilacin, este valor es esencialmente constante para un tipo y tamao de

relleno e independiente de las propiedades fsicas del sistema.

Por ejemplo, se pueden utilizar los siguientes valores de HETP para

calcular la altura del lecho cuando el relleno es de anillos Pall: 0.4-0.5 m si los

anillos tienen un tamao de 25 mm, 0.6-0.75 m si son de 38 mm y 0.75-1.0 si

son de 50 mm. Para el diseo de las columnas de absorcin de relleno sesuelen utilizar los conceptos de nmero de unidades de transferencia y altura

de una unidad de transferencia (HTU). Valores tpicos de HTU para

empaquetamientos al azar son: 0.3-0.6 m si el relleno tiene un tamao de 25

mm, 0.5-0.75 m si el relleno tiene un tamao de 38 mm y 0.6-1.0 m si es de

50mm.

Para conocer la altura necesaria de la columna bastar con determinar

el nmero de pisos necesarios y su HETP o bien el nmero de unidades de

transferencia y su HTU. Cmo realizar estos clculos sern temas de los que

nos ocuparemos ms adelante.


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Dispositivos interiores de torres de relleno

Distribuidor de lquido de alimentacin. El relleno, por s solo, no

conduce a una adecuada distribucin del lquido de alimentacin. Un

distribuidor ideal tendra las siguientes caractersticas:

a) Distribucin uniforme del lquido.b) Resistencia a la oclusin y ensuciamiento.c) Elevada flexibilidad de operacin (mximo intervalo entre los

caudales mximos y mnimo con los que puede operar).

d) Elevada rea libre para el flujo de gas.e) Adaptabilidad a la fabricacin con numerosos materiales de

construccin.

f) Construccin modular para una mayor flexibilidad de instalacin

Los dos distribuidores ms ampliamente utilizados son los de orificios ylos de tipo vertedero (Figura 3). En los de tipo vertedero se utilizan tubos

verticales con vertederos en forma de V para la bajada del lquido, lo que

permite un mayor flujo al aumentar la carga de altura. En los de tipo orificio, el

lquido desciende a travs de los orificios y el gas asciende por unos tubos. Las

conducciones del gas deben tener un rea tal que la prdida de carga al


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circular el gas sea pequea, los orificios deben ser lo suficientemente pequeos

para asegurar que hay un nivel de lquido sobre el plato an a la menor

velocidad de lquido, pero lo suficientemente grandes para que el distribuidor

no se sature a la velocidad mayor.

Los distribuidores de tipo vertedero-canal son ms caros pero ms

verstiles (Figura 3). El lquido se distribuye proporcionalmente a travs de

una o ms bandejas de particin y despus pasa a los canales con vertederos.

Redistribuidores de lquido. Son necesarios para recoger el lquido

que baja por las paredes, o que ha coalescido en alguna zona de la columna, y

redistribuirlo despus para establecer un modelo uniforme de irrigacin. Los

criterios de diseo son similares a los de un distribuidor del lquido de

alimentacin. En la Figura 4 se muestra un distribuidor tipo Rosette que va

soldado a la pared de la columna y un redistribuidor que efecta una

recoleccin total del lquido antes de su redistribucin.

La altura mxima de lecho que puede existir sin redistribuidor de

lquidos depende del tipo de relleno y del proceso. As, la destilacin es menos

susceptible a una mala distribucin que la absorcin. Como orientacin, sepuede considerar que la mxima altura de lecho sin redistribuidor no debe

exceder de 3 veces el valor del dimetro de la columna cuando el relleno es de

anillos Raschig, y de 8 a 10 veces si el relleno es de anillos Pall y sillas. En las

columnas de dimetro grande, la altura del lecho estar limitada por el

mximo peso de relleno que pueda soportar el plato de soporte de relleno y las

paredes de la columna (alrededor de 8 m).


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Platos de soporte y de inyeccin del gas. Adems de soportar el

peso del relleno, los platos de soporte deben de estar diseados para permitir

un flujo relativamente no restringido del lquido y del gas. Con los tipos de

platos que se muestran en la Figura 5, el lquido desciende a travs de las

aberturas hacia el fondo y el gas asciende a travs de la seccin superior.

Platos de sujecin (limitadores de lecho). Los platos de sujecin se

colocan en la parte superior del relleno para evitar el desplazamiento, la

dispersin o la expansin del lecho a causa de elevadas cadas de presin u

oleadas de lquido. La Figura 6 muestra algunos diseos de platos de sujecin.


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Se usan principalmente con relleno de cermica, que puede romper

fcilmente, y con relleno de plstico, que puede flotar ysalir del lecho. Con

frecuencia se utilizan recubrimientos de tela metlica situados sobre el relleno,

juntamente con los platos de sujecin para prevenir el arrastre de lquido a la

salida del vapor.

Platos de soporte para dispersin lquido-lquido. Aunque todo el

tratamiento anterior se ha hecho para columnas donde las dos fases en

contacto eran lquido y vapor, tambin las columnas de relleno pueden ser

utilizadas para efectuar el proceso de extraccin lquido-lquido. En la parte

inferior de la torre, la funcin de los platos de soporte es la de actuar como

soporte y dispersor de la fase ligera.

Tambin se colocan cada 2 4 metros de lecho, actuando como

soportes y redispersores para la fase ligera, que tiende a coalescer. Cuando se

coloca en la parte superior de la torre se pueden utilizar para dispersar la fase

pesada o bien hacer continua la fase ligera. En general, la fase dispersa entra a

travs de los orificios y la pesada pasa a travs de secciones disponibles para

descender.


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Columnas de platos para contacto vapor-lquido

El equipo para separaciones en mltiple etapa consiste frecuentemente

en platos horizontales de contacto entre las fases dispuestos en una columna

vertical. El lquido fluye a travs del plato en flujo cruzado y el vapor asciende

a travs del plato. Ellquido que fluye se transfiere de un plato a otro a travs

de los tubos de descenso (downcomers).

Los procedimientos de diseo para el dimensionado de columnas

comienzan generalmente con una estimacin del dimetro de la torre y del

espaciado entre los platos. Para este dimetro se calculan despus la

capacidad, la cada de presin y el intervalo de operacin de acuerdo con las

especificaciones del proceso, y se determinan despus las dimensiones de los

accesorios de los platos en funcin del tipo de plato seleccionado.

Tipos de platos

Los tipos de platos ms comunes son: platos de vlvula, platos

perforados y platos de caperuzas de borboteo.

Platos de vlvula. Son platos con orificios de gran dimetro cubiertos

por tapaderas mviles que se elevan cuando el flujode vapor aumenta. Como

el rea para el paso del vapor vara en funcin de la velocidad del flujo, los

platos de vlvula pueden operar eficazmente a velocidades bajas de vapor (las

vlvulas se cierran).

En la Figura 7 se muestran algunas vlvulas tpicas. Los detalles que las

diferencian residen en la cada de presin que originan, el tipo de contacto

vapor-lquido que facilitan, la calidad del cierre al paso del lquido que

proporcionan


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Platos perforados. Los platos perforados ms ampliamente utilizados

tienen placas con orificios, circulando el lquido con flujo cruzado a travs del

plato. Sin embargo, tambin se utilizan platos de lluvia con flujo en

contracorriente y sin tubos de descenso, en los que el lquido y el vapor fluyen

a travs de los mismos orificios.

Existen diseos hbridos de platos perforados y de vlvulas, combinandolas ventajas de la baja cada de presin y bajo coste de los platos perforados

con el amplio intervalo de operacin de los platos de vlvula. Tanto en los

platos perforados como en los de vlvula el contacto se produce entre el vapor

que asciende a travs de los orificios y la masa de lquido que se mueve a

travs del plato.

En la Figura 8 se observa que el lquido baja por el tubo de descenso

alcanzando el plato en el punto A. Aunque no se representa el vertedero de

entrada, ste se utiliza frecuentemente para evitar el flujo ascendente de

vapor a travs de tubo de bajada del lquido. En el intervalo comprendido entre

A y B se representa lquido claro de altura hli, debido a que habitualmente no

hay orificios en esta parte del plato. Desde B hasta C es la llamada parte


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activa, con una elevada aireacin y una altura de espuma hf. La altura de

lquido hl en el manmetro de la derecha puede considerarse como la carga de

lquido claro sedimentado de densidad i. La espuma comienza a colapsar en

C, ya que no hay perforaciones desde C hasta D. La altura de lquido a la salida

es hlo y el gradiente hidrulico es (hli - hlo) (que en este caso es

prcticamente cero) (gradiente hidrulico es la diferencia de nivel del lquido

necesario para que el lquido fluya a travs del plato).

Los dimetros de los orificios estn generalmente comprendidos entre

0.3 y 1.3 cm, siendo preferidos los ms grandes cuando existe la posibilidad de

ensuciamiento. Un rea grande de orificios contribuye al goteo, mientras que

un rea deorificios pequea aumenta la estabilidad del plato pero incrementa

tambin la posibilidad de arrastre e inundacin, as como la cada de presin.

Con frecuencia el tamao de los orificios y su espaciado son diferentes en las

distintas secciones de la columna con el fin de acomodarse a las variaciones de

flujo. Otra prctica frecuente es dejar sin construir algunos orificios con el fin

de flexibilizar el posible aumento futuro de la carga de vapor


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Platos de caperuza de borboteo. Una caperuza de borboteo consta de

un tubo ascendente sujeto al plato mediante soldadura, tornillos, etc., y una

caperuza sujeta al tubo ascendente o al plato. Aunque la mayor parte de las

caperuzas tienen ranuras (de 0.30 a 0.95 cm de ancho y 1.3 a 3.81 cm de

longitud), algunas no las presentan, saliendo el vapor de la caperuza por

debajo del reborde inferior que est a una distancia inferior a 3.81 cm del

plato.

El tamao de las caperuzas comerciales est comprendido entre 2.54 y

15 cm de dimetro. Generalmente estn dispuestas sobre el plato en los

vrtices de tringulos equilteros formando filas orientadas en direccin

perpendicular al flujo. Con estos datos se quiere poner de manifiesto el hecho

de que a la hora de disear cualquier dispositivo, nada se deja al azar sino que

todo detalle es el resultado de estudios tericos y experimentales conducentes

al buen funcionamiento del equipo. La Figura 9 muestra algunas caperuzas de

borboteo tpicas. Los detalles que las diferencian residen en el modo en que se

dispersa el vapor o el camino que sigue el lquido.

Las nicas ventajas de los platos de caperuzas de borboteo son:

a) No permiten el goteo si estn adecuadamente unidos a la torreb) Hay una gran abundancia de material publicado y de experiencia de

los usuarios.

Las desventajas son:

a) Generan elevadas cadas de presinb) Las eficacias de etapa son de un 10 - 20 % inferiores que en platos

perforados o de vlvula

c) Estos platos son ms caros que los platos perforados y que los devlvula.


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Dimetro de la columna

El lmite habitual de diseo viene dado por la inundacin de arrastre que

se origina por un excesivo transporte de lquido arrastrado por el vapor hasta

el plato superior. El arrastre de lquido puede deberse al arrastre de gotitas en

suspensin por el vapor ascendente o a la proyeccin de partculas de lquido

por los chorros de vapor que se forman en las perforaciones del plato, en las

vlvulas o en las ranuras de las caperuzas.

Souders y Brown correlacionaron satisfactoriamente los datos de

inundacin de arrastre para 10 columnas comerciales de platos suponiendo

que el transporte de las gotitas en suspen-sin controla la magnitud del

arrastre. Para la velocidad incipiente de inundacin o arrastre Uf, la gotita est

suspendida de tal forma que la suma vectorial de las fuerzas de gravitacin,

flotacin y rozamiento que actan sobre la gotita es cero


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Altura de la columna

Para calcular el dimetro de la columna utilizando la Figura 10 es preciso

especificar el espaciado entre los platos. A medida que aumenta el espaciado

entre los platos aumenta la altura de la columna, pero su dimetro disminuye.

Para un amplio intervalo de condiciones se considera ptimo un espaciado de

24 pulgadas (60 cm), que es el mnimo requerido para un fcil mantenimiento.

Sin embargo, para columnas de pequeo dimetro y gran nmero de

etapas puede ser deseable un espaciado menor, mientras que se utilizan con

frecuencia espaciados mayores para columnas de gran dimetro y bajo nmero

de etapas. Cuando los flujos de vapor varan apreciablemente de un plato

a otro, puede variarse el dimetro de la columna, el espaciado entre los platos

y el rea de los orificios con el fin de reducir el costo de la columna y asegurar

la eficacia de la operacin.

Tomando como base las estimaciones del nmero de platos reales y el

espaciado entre los platos, se puede calcular la altura de la columna entre los

platos de cabeza y cola (como se ha comentado al hablar de las columnas de

relleno, el clculo del nmero de pisos de una columna ser estudiado

ampliamente en temas posteriores). Adicionando 1.2 m por encima del plato


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superior para separar el lquido arrastrado y 3 m pordebajo del plato de cola

para disponer de suficiente capacidad de remansamiento, se puede estimar la

altura total de la columna. Si la altura es superior a 64 m (equivalente a 100

platos con un espaciado de 24 pulgadas) puede ser preferible acoplar dos o

ms columnas en serie en vez de una sola columna. (La torre de destilacin

ms alta del mundo est instalada en el complejo de Shell Chemical Company

en Deer Park, Texas. La columna fracciona etileno y tiene 338 ft de alto y 18 ft

de dimetro (101.4 m de alto x 5.4 m de dimetro).

Dispositivos interiores de las columnas

Placas anti-salto. Se utilizan a veces para evitar salpicaduras del

lquido sobre los tubos descendentes al pasar a una seccin adyacente del

mismo plato.

Placas con hileras de pas. Se colocan en la parte superior de los

conductos de descenso o de los vertederos para romper la espuma y evitar su

arrastre.

Vertederos de entrada. Se utilizan para asegurar el cierre de lquidoen los conductos de descenso cuando se opera con elevados flujos de vapor o

bajos flujos de lquido.

Colectores y cierres de entrada y salida. Se utilizan para asegurar el

cierre de lquido bajo todas las condiciones.

Paneles de salpicadura. Se utilizan para prevenir salpicaduras y

promover la uniformidad de flujo.

Agujero de hombre. El dimetro del agujero es un factor importante

en el diseo de los platos, ya que afecta al nmero de piezas que se han de

instalar y al diseo del plato.


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Distancia entre los centros de los orificios: depender del nmero de

orificios activos que se requieren y del rea de orificio determinada. En

general, no debe ser inferior a 2 veces el dimetro del orificio, y el

intervalo normal es de 2 - 4 veces.

Diseo del tubo de descenso del lquido: su rea debe ser tal que el

nivel de lquido y de espuma que se alcanza en el tubo sea inferior al

que hay en el plato (del que desciende el lquido). Si el nivel alcanzado

es mayor la columna se inundar.

El nivel debe ser superior al existente en el plato al que llega el lquido,

para que exista cierre hidrulico, y el vapor no asciendapor el conducto debajada de lquido. Para todo ello existen ecuaciones empricas, grficos,

correlaciones, valores promedio que conducen a un primer valor aproximado.

Si los resultados que se obtienen conducen a valores adecuados de velocidad

de goteo, de arrastre, prdida de carga, las dimensiones del equipo sern

vlidas. En caso contrario se deben modificar hasta optimizar el diseo.

Columnas de relleno frente a columnas de platos

La diferencia de costes entre las columnas de platos y de relleno no es

demasiado grande, aunque el relleno es ms caro que los platos. Por otra

parte, la diferencia de altura de la columna no es generalmente significativa si

las velocidades de flujo son tales que las eficacias estn prximas a su valor

mximo. Como regla aproximada, los platos se utilizan siempre en columnas

de gran dimetro y torres con ms de 20 30 etapas.


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Condiciones que favorecen a las columnas de relleno:

1. Columnas de pequeo dimetro

2. Medios corrosivos3. Destilaciones crticas a vaco, donde son imprescindibles cadas de

presin bajas

4. Bajas retenciones de lquido (si el material es trmicamente inestable)5. Lquidos que forman espuma (debido a que en columnas de relleno la

agitacin es menor)

Condiciones que favorecen a las columnas de platos:

1. Cargas variables de lquido y/o vapor2. Presiones superiores a la atmosfrica3. Bajas velocidades de lquido

4.Gran nmero de etapas y/o dimetro

5. Elevados tiempos de residencia del lquido6. Posible ensuciamiento (las columnas de platos son ms fciles de

limpiar)

7. Esfuerzos trmicos o mecnicos (que pueden provocar la rotura delrelleno)

Contactores lquido-vapor menos utilizados

Columnas de pulverizacin. En las aplicaciones de la absorcin de

gases, si se necesitan pocas etapas, se puede utilizar una columna de

pulverizacin. La columna de absorcin con pulverizacin ms sencilla consiste

simplemente en un cmara vaca dentro de la cual el lquido desciende en


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forma de lluvia y el gasasciende entrando por la parte inferior. En dispositivos

ms sofisticados pueden dispersarse ambas fases por medio de dispositivos

relativamente complicados tales como boquillas de atomizacin, atomizadores

de venturi o chorros. Sin embargo, esta dispersin implica elevados costes de

bombeo. Las unidades de pulverizacin tienen la ventaja de una baja cada de

la presin del gas, no se forman tapones de slidos ni se inundan.

Columnas de placas y platos de lluvia. Las columnas de placas y las

de platos de lluvia (Figura 12) se caracterizan por una relativamente baja

dispersin del lquido y muy bajas cadas de presin.

Equipo para extraccion lquido-lquido

A continuacin, brevemente, se describirn algunos de los diferentes

tipos de equipo existentes:

Mezcladores-Sedimentadores. Este tipo de equipo puede variar desde

un solo tanque, con agitador, que provoca la mezcla de las fases y despus se

dejan sedimentar, hasta una gran estructura horizontal o vertical


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compartimentada. En general la sedimentacin se realiza en tanques, si bien

algunas veces se utilizan centrfugas. Sin embargo, la mezcla puede realizarse

de formas diferentes, como por impacto en un mezclador de chorro, por accin

de cizalladura cuando ambas fases se alimentan simultneamente en una

bomba centrfuga, mediante inyectores donde el flujo de un lquido es inducido

por el otro,o bien por medio de orificios o boquillas de mezcla.

Columnas de pulverizacin. Como en absorcin de gases, la

dispersin en la fase continua limita la aplicacin de este equipo a los casos en

los que solamente se requiere una o dos etapas. En la Figura 13 se presentan

algunas configuraciones tpicas.

Columnas de relleno. Para extraccin lquido-lquido se utilizan los

mismos tipos de relleno que en absorcin y destilacin. Es preferible utilizar un

material que sea preferentemente mojado por la fase continua. En las

columnas de relleno ladispersin axial es un problema importante y la HETP es

generalmente mayor que en los dispositivos por etapas.

Columnas de platos. En este caso se prefieren los platos perforados.

La separacin entre los platos es mucho menor que en destilacin: 10-15 cmpara la mayor parte de las aplicacione con lquidos de baja tensin interfacial.

Cuando se opera con un rgimen de flujo adecuado, las velocidades de

extraccin en columnas de platos perforados son elevadas debido a que las

gotas de la fase dispersa coalescen y se vuelven a formar en cada etapa. Esto

favorece la destruccin de gradientes de concentracin que se pueden formar

cuando las gotas pasan sin perturbacin a travs de toda la columna. Las

columnas de platos perforados para extraccin estn sometidas a las mismas

limitaciones que las columnas de destilacin: inundacin, arrastre y goteo. Con

frecuencia se presentan problemas adicionales como la formacin de suciedad

que sobrenada y que se origina por la presencia de pequeas cantidades de

impurezas.


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Equipo de gravedad asistido mecnicamente. Si las diferencias de

densidad entre las dos fases lquidas son bajas, las fuerzas de gravedad

resultan insuficientes para una adecuada dispersin de las fases y creacin de

turbulencia. En este caso, se utilizan agitadores rotatorios accionados por un

eje que se extiende axialmente a lo largo de la columna con el fin de crear

zonas de mezcla que alternan con zonas de sedimentacin en la columna. Un

ejemplo tpico es el RDC (rotating disc contactor) que se ha utilizado en

tamaos de hasta 12 m de altura y 2.4 m de dimetro. Los discos, con elevada

velocidad de giro, proporcionan la energa necesaria para la mezcla de las dos

fases.

Pegados a la columna, se montan unos discos metlicos perforados quesirven de separacin entre cada dos discos giratorios, dirigiendo el flujo y

previniendo la dispersin axial. Otros aparatos de uso comercial son la cascada

de mezcladores-sedimentadores en forma de columna desarrollada por Treybal

y las columnas pulsadas, que son columnas de platos perforados provistas de

una bomba de mbolo para promover la turbulencia y mejorar la eficacia.


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Extractores centrfugos. Las fuerzas centrfugas, que pueden ser

miles de veces superiores a las de la gravedad, pueden facilitar las

separaciones cuando se presentan problemas de emulsificacin, las diferencias

de densidades son muy bajas, o cuando se requieren tiempos de residencia

muy pequeos debido a un rpido deterioro del producto, como ocurre en la

industria de antibiticos. Generalmente, los extractores centrfugos slo tienen

una o dos etapas, aunque se han construido unidades con cuatro etapas.

En la Tabla 2 se muestra un resumen de las ventajas e inconvenientes

de los equipos de contacto utilizados en extraccin. En el diseo de los equipos

de contacto lquido-lquido intervienen un mayor nmero de variables

importantes que en el caso de los contactores lquido - vapor, por lo que la

estimacin del dimetro de la columna es ms compleja e incierta Las

variables de inters son: velocidades individuales de flujo de las fases,

diferencia de densidad entre las dos fases, tensin interfacial, direccin de

transferencia de materia, viscosidad y densidad de la fase continua, velocidad

de rotacin y vibracin (cuando hay agitacin mecnica) y geometra del

compartimento.

El dimetro de la columna se determina mejor mediante cambio deescala a partir de ensayos de laboratorio o en unidades de planta piloto. En

ausencia de datos de laboratorio se puede hacer una estimacin del dimetro.

Ya hemos visto que para calcular el dimetro de una columna de platos donde

se ponen en contacto lquido y vapor se hace un estudio de las fuerzas a que

est sometida una gotita de lquido inmersa en un gas y se calcula su velocidad

incipiente de inundacin o arrastre Uf.

Algo similar sucede para deducir una expresin que permita calcular el

dimetro de un contactor lquido-lquido: se calcula la velocidad relativa media

de ascenso de una gota de fase dispersa con relacin a la fase continua que

lleva un movimiento descendente. De nuevo, como en los contactores lquido -


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vapor, se obtienen relaciones y grficos que permiten relacionar cocientes de

flujo de fase continua - fase dispersa con la capacidad total de la columna.

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