operaciones de separacion mecánica

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

[IQ-3-V]

TORRE EMPAQUETADA OPERACIONES DE SEPARACIN MECNICA

[

[ I N G E N I E R A Q U I M I C A ]

OBJETIVO

El objetivo de este tema es realizar el diseo bsico de una torre de contacto (de

platos o de relleno) una vez conocidos el nmero de platos terico, las condiciones

de reflujo y los equilibrios de los balances de materia y energa en la columna en

cada plato en particular. Se parte de los conocimientos bsicos de la asignatura OPERACIONES DE SEPARACIN sobre clculo de etapas tericas para sistemas bi y multicomponentes.

El alcance de este tema es:

1.- Especificar el tipo de columna a utilizar (de platos o de relleno) en funcin de

las caractersticas de la operacin de separacin deseada y de los

componen-tes a separar, corrosin suciedad, formacin de burbujas,.... 2.- Determinar el dimetro de la columna por requisitos de capacidad (velocidad

msica del vapor) 3.- Determinar la eficiencia de la columna y el nmero de platos reales para torres

de platos o la altura de relleno equivalente a un plato terico (HETP) o

unidad de transferencia (HTU) en columnas de relleno o empaquetadas. 4.- Determinar la altura de la columna por las caractersticas de los platos o

relleno. 5.- Calcular las prdidas de carga a lo largo de la columna

6.- Estimar los costes de la columna.

INTRODUCCIN, TIPOS Y APLICACIONES Las torres de contacto se utilizan para operaciones que requieren un ntimo contacto

entre dos fluidos (lquido y vapor o lquido). Las operaciones tpicas son: DESTILACIN: Proceso en que los componentes de una mezcla se separan

por la diferencia de volatibilidad. ABSORCIN: Un componente de una corriente gaseosa se disuelve en un

lquido absorbente. EXTRACCIN: Un componente disuelto en un lquido se concentra en otro por

diferencia de solubilidad. Los tipos de torres de contacto los podemos clasificar en:

COLUMNAS DE PLATOS (TRAY COLUMN) PLATO TAPA CIRCULAR O CAPUCHA (BUBBLE CAP CONTACTOR) PLATO DE VALVULA (VALVE TRAY CONTACTOR) PLATO DE ORIFICIOS O MALLA (SIEVE TRAY CONTACTOR)

Columnas De Contacto

DISEO DE EQUIPOS E INSTALACIONES

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 Las principales aplicaciones son:

FIG 9.01



COLUMNAS DE PLATOS

Los tipos ms comu-

nes de columnas de

platos (tray column)

son las de plato de

tapa circular o capu-

cha (bubble cap con-

tactor) las de plato de

vlvula (valve tray

contactor) y las de

plato de orificios o

malla (sieve tray

contactor). Las ms

estudiadas son las de

tapa circular dis-

ponindose para ellas

de un nmero mayor

de tablas y ecuacio-

nes empricas.

Actualmente por

precio se estn utili-

zando ms los otros

tipos de platos, pero

en general las ecua-

ciones pueden extra-

polarse a ellos.

Los factores crticos

en el diseo de las

columnas de platos

necesarios para la

operacin, adems de

la determinacin del

FIG 9.02 nmero de etapas

tericas, son:

(1) DIAMETRO DE LA COLUMNA. De modo que se evite la inundacin (flooding) o la suspensin (entraintment) del lquido en el vapor.

(2) La EFICIENCIA de operacin de los platos, lo que nos indica cuanto nos acer-camos a la operacin de equilibrio.

(3) La PRDIDA DE PRESIN a lo largo de cada plato. Otros factores de importancia son, la apropiada dimensin y forma de los platos (tipo de plato, separacin de contactores, distancia,), el flujo de lquido en los platos y ver-tederos, y la estabilidad de la columna. En la figura 9.2 podemos ver las formas tpicas de los tres tipos de platos en opera-cin. Generalmente las columnas de platos son de flujo cruzado (cross flow). Si

tenemos platos de orificios y estos son tan grandes que permiten la cada del lquido sin nece-sidad de vertederos (downcomer), tenemos una columna de

platos con flujo a contracorriente (counterflow plate contactor). Columnas De Contacto


Clculo del dimetro de columna. Velocidad mxima admisible

del vapor La velocidad de vapor en una columna de platos est limitada por el arrastre de

gotas de lquidos en los gases ascendentes y por la capacidad de los vertederos para mane-jar el lquido. Una torre debe tener la suficiente seccin transversal para manejar los gases

ascen-dentes sin un transporte excesivo de lquido de una bandeja a otra. Souders and Brown dedujeron la siguiente ecuacin

Vm Kv L G ...........................................................................

(9.01)

G

Si Utilizamos la velocidad transversal msica Gm ser:

G m Vm G Kv G (L G ) ................................................... (9.02)

2

Donde: Gm =Velocidad transversal msica en lb/s-ft Vm = Velocidad lineal mxima permisible en ft/s

3

L , G = densidades de lquido y vapor lb/ft

Kv = Constante de Souders and Brown. FIG 9.3

Esta contante tiene una incertidumbre de 25 %

FIG 9.3 Columnas De Contacto


Si tenemos en cuenta la tensin superficial del lquido podemos mejorar la

precisin con la ecuacin de Fair:

0 ,2

L G V ' m K'v

(9.03).........................................................

20

G

Donde los valores de las variables son: Vm = Velocidad mxima permisible para el vapor considerado el rea

activa de burbujeo del plato Aa + rea de un vertedero Ad , en ft/s

KV = Constante emprica dada por la fig. 9.4 con error del 10% = Tensin superficial en dyn/cm

FIG 9.4

Eficiencia de los platos

Una vez calculado el nmero terico de etapas necesarias para realizar una

separa-cin hay que conocer la relacin entre el nmero ideal y el valor real del

equipo. La transformacin del nmero de etapas ideales en el nmero real se

realiza utilizando el concepto de EFICIENCIAS de los platos Columnas De Contacto


Tipos de eficiencias (1) EFICIENCIA GLOBAL DE COLUMNA O EFICIENCIA GLOBAL DE LOS PLATOS.

Se define como el nmero de etapas tericas dividido por el nmero real de platos en una columna.

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

(3) EFICIENCIA PUNTUAL O LOCAL Relacin entre cambio terico de

equilibrio terico y real en un punto del plato.

Factores que influyen en la eficiencia

La Figura 9.5

muestra la dife-rencia en la efi-ciencia global

para diferentes tipos de platos

en funcin de la densidad y de la

velocidad del vapor. Los factores que

influyen son:

Velocidad del

vapor

Altura del lqui-

do sobre la

abertura del

vapor

Espaciado de

platos

Longitud de

paso del lquido FIG 9.5

Resistencia del

lquido a la

transferencia de masa en la interfase

Correlaciones para la estimacin de la eficiencia global.

Para tipos comunes de columnas de platos operables en el rango de velocidades

donde la eficiencia global es constante. OConnell ha correlacionado los datos de eficiencia en base a la viscosidad del lquido y la volatibilidad relativa (o

solubilidad relativa del gas) el la figura 9.6 para columnas de platos de tapa

circular con un paso de lquido de menos de 5 ft y un reflujo prximo al mnimo. Columnas De Contacto


FIG 9.6

La correlacin de la fig. 9.6 se puede extender para incluir los efectos de la altura

de lquido y la relacin entre flujo de lquido y flujo de vapor. Para un destilador o fraccionador

log Eo 167. 0.25 log F 0.30 log L'

M

0.09K ......................(9.04)

Para un absorbedor V ' M

mM L' M 0.09K ...............(9.05) log Eo 160. 0.38 log A A 0.25log

Donde:

A V ' M

Eo = Eficiencia global de la columna en %

F = Viscosidad molar media de la alimentacin, cp A = Viscosidad molar media del lquido, cp = volatibilidad relativa de los componentes clave


m = Fraccin molar del soluto en el gas/ fraccin molar del soluto en el lqui-

do

M A = Peso molecular medio del lquido

A = 3

Densidad media del lquido lb/ft

L' M = Flujo molar del lquido lb-mol/hr

V ' M = Flujo molar medio del vapor lb-mol/hr K Factor que depende del tipo de plato:

Tapa circular o capucha: K Sm C / 2

Sm = Static sumergence (diferencia entre altura del slot y de la presa del vertedero (weir), ft

C = Altura del slot, ft Plato de orificios: K = altura de la presa del vertedero. Plato de vlvulas: K = Altura del liquido sobre la base de la vlvula.

Estas ecuaciones son vlidas siempre que:

L' M V ' M 0.4 8

S m 15.in Para torres comerciales a ante falta de datos adicionales para columnas trabajando

con petrleo o hidrocarburos podemos utilizar la siguiente aproximacin:

Eo 17 611, logF ....................................................................(9.06)

Valida si: 4.0

0.07 14.

F

9.2.3.- Perdidas de presin en la columna de platos

Conforme pasan los gases a travs de una columna de platos la presin de los

gases disminuye por las siguientes causas: 1) Perdida de presin a travs de los contactores de los platos

a) Contraccin del gas al pasar por los orificios b) Friccin del gas en los orificios c) Friccin debida a los cambios de direccin d) Paso del gas por los slots en los platos de tapa circular

2) Perdida de presin debida a la altura de lquido sobre las aberturas del gas. Para calcular la prdida de carga se asume un plato con condiciones de intercambio

medias. Los clculos de perdida de carga en platos de tapa circular, orificio o vlvula

son similares, solo hay que considerar el cambio de disposicin geomtrica. Como regla general, para disear correctamente un plato de tapa circular o de vlvula

se parte de que la prdida de presin total por plato ser dos veces la perdida de


DISEO DE EQUIPOS E INSTALACIONES presin equivalente a la altura media de lquido sobre la cabeza de la tapa circular o

vlvula. Para platos de orificios esta altura ser la altura total de lquido sobre el plato.

Los valores razonables de

pr-dida de presin por plato

de-pende de la presin de

opera-cin de la columna de

acuerdo a:

Presin Total P por plato

30 mmHg 3 mmHg 1 atm 0.07 0.12 psi 300 psia 0.15 psi

Las figuras 9.7 y 9.8 represen-

tan una seccin transversal de

un contactor tipo tapa circular

o capucha (Bubble-cap) y de

uno tipo orifico (sieve tray).

La prdida de presin total a lo

largo de la bandeja PT es

funcin de la altura de lquido

representada por hT en ft.

Segn la frmula:

h g

FIG 9.7 PT T L

(9.07)

144gc

Donde:

PT =Perdida de presin en psi

L = Densidad del lquido en lb/ft

3

g = Aceleracin de la gravedad

gc = factor de conversin

(32.17) valor equivalente a g.

Valoremos seguidamente cada

valor de perdida de presin

indicado en las figuras.


Prdida de presin a travs del contactor (bubble-cap o sieve)

Las causas para la perdida de presin a travs de una tapa circular son (Fig. 9.7) (1) contraccin, (2) friccin en orificio, (3) cambio de direccin y (4) friccin en

espacio anular . En uno de orificios (fig. 9.8) es debida a la (1) contraccin y (2)

friccin en el orificio. Esta prdida de presin es funcin de la altura cintica (Kinetic Head) que vale:

V 2

(K . H.) hH c

G .................................................................... (9.08)

2g L

Donde: Vc = Velocidad linear mxima ft/s Para un contactor tipo tapa circular se toma un factor de 6 K.H. con lo que la

prdida en el contactor vale:

3V 2

hC c G ....................................................................................(9.09)

g

L

Para un contactor de orificios se toma un factor entre 1 y 3 en funcin de la

disposicin de los taladros (Fig. 9.9)

Si tenemos un contactor de

tipo vlvula el valor es muy

similar al de tapa circular,

los factores se dan en los

cat-logos de platos.


Siendo el valor

V 2

hC ( KH) c G (9.10)

2g L


La prdida de presin a travs de las ranuras de contactores de tapa circular

(slots) depende de la velocidad del gas por las ranuras y de la tensin superficial

y se obtie-nen con la ecuacin: Para ranuras rectangulares

Qs

2/3

G

1/3

hslot

15.

......... ...... ....... ...... ...... ....... ...... . (9.11)

b

L G g

Para ranuras triangulares

2/5

1/5

hslot

cQs G

185.

............................................ (9.12)

b

L G g

Donde:

Qs = Flujo volumtrico del gas por el slot, ft3/s

b = Ancho del slot en la base, ft c = Alto del slot; ft

Estas ecuaciones (9.11) y (9.12) aplican cuando hslot < c. con un valor

recomendado de diseo de hslot = c

Perdida de presin debida a la altura del lquido sobre el contactor La altura de lquido sobre las ranuras de un contactor del tipo de tapa circular es la

suma de sumergencia esttica Sm, la altura de la cresta de lquido sobre la presa del

vertedero ho , y el gradiente medio del lquido 0.5hg . Valor anlogo para los de

tipo vlvula donde Sm es la distancia desde el borde superior de la vlvula. Para

contacto-res de orificios, se desprecia el gradiente y es la suma de ho y la altura de

la presa (weir) hw .

La altura de la cresta de lquido sobre la presa del vertedero ho para un vertedero

tipo segmento de circunferencia vale:

2/ 3

ho 1.7Q

L ................................................................................(9.13)

l w g

Donde QL es el valor del flujo volumtrico del lquido en

ft3/s lw es la longitud de la presa en ft

El valor del gradiente medio del lquido 0.5hg depende de la configuracin del

plato con contactores de tapa circular y la ecuacin se puede ver en 1. Columnas De Contacto


Evaluacin de la prdida de presin total por plato.

La perdida de presin total a travs de un plato de tapa circular (bubble-cap tray) es

hT hC hslot Sm ho 0.5hg ....................................................(9.15)

Para un contactor tipo plato de orificios (sieve tray)

hT hC hw ho 0.5hg ................................................................ (9.16)

Donde hg es generalmente despreciable.

Altura de lquido en el vertedero (H) La altura de lquido en el vertedero (H), debe ser menor a la distancia entre los

platos ms la altura de presa del vertedero (weir), hw , Se recomienda que H sea menor del 50% del dato anterior.

El valor de H se calcula como:

H hw ho hg hd hT (9.17)

ho 15.hg hw hd hC hslot Sm ....................................

hd es la perdida de presin debida al flujo a travs del vertedero de valor:

QL

2

hd 3 ................................................................................. (9.18)

2g Ad

Con Ad mnima seccin transversal del vertedero. ft2



9.2.4.- Otros factores de diseo

PLATOS DE TAPA CIRCULAR O CAPUCHA (BUBBLE CAP TRAY)

Factores caractersticos en el diseo de un plato de tapa circular son:

Tamao de la tapa circular (bubble-cap) y de el alzador del orificio (riser) El rango de tamao esta en dimetro de tapa de 4 a 7 in. Modelo estndar de ta-

mao 6 in de tapa y 4 in de alzador . Para torres a vaco son de 3 in y 2 in

respectivamente. Los de tipo tnel son de 3 a 6 in de ancho y 12 in o ms de largo. Velocidad en la ranura (slot)

Una vez determinado el tamao del contactor hemos de conocer su nmero.

Fija-mos este por la velocidad permisible del gas a travs de los slots. Esta

velocidad est limitada por:

Velocidad lineal mxima ft / s 12

.. .. . .. . .. .. . .. . .. .. . .. .. . .. . .. .. . .. . .. .. . .. .. . .. . .. .. . .. . .. .. . .. ..( 9 . 1 9 )

0.

G5

Velocidad lineal mnima ft / s 3.4

.................................................................... (9.20)

0.

G5

En general el rea en el orificio (riser), en las ranuras (slots) y en el anillo son

igua-les para reducir prdidas de carga.

La separacin entre contactores es de 1 a 3 in y la separacin de la tapa a la

car-casa es del orden de 2 in . El rea de orificios (riser) es del orden del 10 al

20 % de rea de la seccin transversal de la columna.

PLATOS DE MALLA U ORIFICIOS (SIEVE TRAY)

El tamao de los orificios es de 1/8 a in con un tamao standard de 3/16 in.

Los espesores del plato van de 0.1 a 0.7 veces el dimetro del orificio. La

disposicin del taladro es triangular equiltera con relacin de

distancia/dimetro 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 (relacin caudal

mximo/caudal mnimo de 10). El diseo y dimensiones dependen del modelo

siendo los dimetros tpicos de los orificios del orden de 1,5 in . La tapa de la

vlvu-la puede tener de a in de altura. Columnas De Contacto


CARCASA Y PLATOS

La carcasa se construye generalmente en secciones cilndricas cortas que se

unen posteriormente por medio de tornillos para formar un cilindro largo. Dispone de en-tradas de boca de hombre para acceso y limpieza. El material de la carcasa y los platos depende de las caractersticas de corrosin

de los fluidos. Puede utilizarse vidrio, plsticos, acero recubierto de vidrio o

resinas y como no metales. El material ms caracterstico es acero al carbono.

Los platos deben estar nivelados para el perfecto funcionamiento siendo las

tole-rancias de diseo de 1/8 in y de trabajo de 1/2 in ESPACIADO DE PLATOS

El espaciado de los platos se tiene en funcin del dimetro de la columna en la

ta-bla:

Dimetro torre (ft) Distancia (in)

6 mnimo

4 o menos 18 a 20 (sin acceso humano)

6-10 24

12-24 36

Generalmente no se utiliza menos de 18 in para evitar la suspensin del lquido

en el gas, ni menos de 24 in cuando es necesario el acceso. VERTEDEROS Y PRESAS (DOWNCOMERS AND WEIRS)

Los vertederos deben disearse de forma que el tiempo de residencia del lquido

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

el l-quido. La altura de lquido en el vertedero debe ser inferior al 50 % dela distancia entre platos. El sellado del lquido entre el borde inferior del vertedero y el nivel de lquido ha de ser de a 1 in El valor de la altura de la presa en el borde superior del vertedero es fundamental

para el control de la perdida de presin. Si llamamos Sm (static sumergence) a la distancia entre el borde superior de las ranuras y el borde de la presa, este

debe tener los siguientes valores

Presin de operacin Sm(in) Vaco, 30 mmHg abs 0

Atmosfrica

100 psig 1

300 psig 1

500 psig 1


TORRES EMPAQUETADAS

El tipo comn de una torre

empaqueta-da o torre de relleno

consiste en una carcasa cilndrica que contiene un material de relleno inerte.

En ellos el lquido y el gas circulan a

contracorrien-te con una amplia rea de contacto entre lquido y gas.

Las propiedades que debe tener

el relleno son:

1. Baja prdida de presin. Lo

que implica un rea

transversal libre elevada. 2. Alta capacidad. Tambin

relacionada con un rea transversal libre eleva-da.

3. Bajo peso y baja retencin de

lqui-do.

4. Gran superficie activa por unidad

de volumen.

5. Gran volumen libre por unidad

de volumen.

6. Alta durabilidad, resistencia a

la corrosin, bajo coste.

FIG 9.10

Tipos de relleno Los productos tpicos de relleno y sus caractersticas son: RELLENO ALEATORIO. Anillo Pall (Pall ring) en tamao

de 5/8 a 3 in

Silla Intalox (Intalox Saddle) en ta-mao de 1/4 a 2 in

Anillo Raschig (Raschig ring) en tamao de 1/4 a 3 in

Anillo Lessing (Lessing ring) en tamao de 3 a 6 in

Silla Berl (Berl saddle) en tamao de FIG 9.11 1/4 a 2 in

RELLENO ESTRUCTURADO


FIG 9.12Caractersticas fsicas de rellenos comerciales



Distribucin de lquidos La distribucin de lquidos en una torre de relleno ha de ser tal que no deje parte del

relleno seco. Para ello hay que evitar que el lquido circule por la pared de la carcasa. Para ello se utilizan:

1. Distribuidores de lquido a la entrada 2. Platos redistribuidores intermedios 3. Distribucin aleatoria del empaquetado 4. Relacin dimetro torre/tamao de relleno mayor de 7

Perdidas de presin en columnas empaquetadas

Los factores que ms influyen en la prdida de presin en una torre de relleno son: 1. Caudales del lquido y del gas 2. Densidad y viscosidad de los fluidos 3. Tamao, forma orientativa y superficie del empaquetado. Las siguientes figuras

presentan la prdida de

presin por pie de altura

de relleno en funcin

del caudal de gas.

Los puntos

caractersti-cos son: Loading Point o Punto

de Carga, punto en que

el lquido comienza a

subir en la columna y se

pierde el espacio efecti-

vo para paso del gas.

Flooding point o

Punto de inundacin

es el lmite prctico de ope-racin, es cuando

se empiezan a formar

capas de lquido en el borde superior del em-

paquetado. FIG 9.13 Perdida de presin en funcin de los

cau-dales de gas y lquido



FIG 9.14 Perdidas de presin en fun-

cin del tipo de empaquetado

FIG 9.15 Perdidas de presin en fun-

cin de la presin de operacin

Estimacin de prdida de presin en torres empaquetadas

La perdida de presin se determina en funcin de datos experimentales. A falta

de estos podemos utilizar las siguientes ecuaciones para estimacin preliminar. RELLENO MOJADO (IRRIGATED PACKING). Son columnas que funcionan en la

zona de precarga donde la pendiente de la perdida de carga es aproximadamente 2. Sigue la ecuacin, vlida si la viscosidad del lquido es menor a 2 cp. 2

P

10 L G

L (9.21)

h G ........................................................................

Donde: P = Perdida de presin en lb/ft2

h = altura de empaquetado en ft , Constantes de la figura 9.16

L , G Velocidad msica superficial de lquido y gas lb/hr ft2

L ,G Densidades, lb/ft3



FIG 9.16 Constantes para estimar la prdida de presin con la ecuacin 9.21

El valor de la prdida de presin en condiciones de inundacin viene dado por:


DISEO DE EQUIPOS E INSTALACIONES RELLENO SECO (DRY PACKINGS) La siguiente ecuacin nos da la perdida

de presin causada por el flujo de un gas a travs de un relleno seco:

2 150 1

P 1 G

G 1.75 ...................................(9.22)

h 3

d p

gc

G d pG

Donde

Fraccin de volumen libre y volumen total (dado en FIG 9.12)

G Viscosidad absoluta del gas, lb/ft hr

d p 6(1 )

dimetro efectivo del relleno ft

ap

ap rea de empaquetado por unidad de volumen (dado en FIG 9.12)

Velocidad mxima admisible del vapor

Se denomina la velocidad mxima admisible del vapor a la velocidad superficial (lb/s ft

2) en condiciones de inundacin. La velocidad de vapor de diseo se estima

en el 50 al 70 % de la velocidad permisible mxima. Utilizndose este valor para determi-nar el dimetro de la columna.

FIG 9.18 -Correlacin general para estimar la velocidad de

inundacin (flooding rate) Columnas De Contacto

DISEO DE EQUIPOS E INSTALACIONES Mtodos simplificados de estimacin de la velocidad de inundacin Podemos decir que la inundacin ocurre cuando la presin del lquido descendente

iguala la presin de los vapores ascendentes

2

Vm

G HpL .............................................................................. (9.23)

2g

Donde Hp es una constante de empaquetado. Si definimos Kp

2gHp nos que-

da:

......... ...... ....... ...... ...... ....... ...... ...... ....... ...... ....... ...... ....

V K L (9.24)

m p G

G m VmG K p LG ............................................................... (9.25)

Ecuaciones vlidas si la viscosidad del lquido es menor a 2 cp y la relacin L

G 15.

Efecto de la presin de operacin en las velocidades de inundacin

Como regla general la velocidad permisible mxima del vapor Vm en una columna de relleno es de 1 a 3 ft/s a presin atmosfrica y aumenta con la disminucin de la

pre-sin con la raz cuadrada de la relacin de presiones.

Vm Vm

G2

L1 . . .. .. .. . .. .. .. .. . .. .. .. .. . .. .. .. .. . .. .. .. .. .

. . .. .. .. . .. .. .. .. . .. .. .. .. . .. (9.26)

G1

L2

1 2

G m Gm

G1

L1 (9.27).......................................................................

G2

L2

1 2

Si tenemos en cuenta que el vapor se comporta como un gas perfecto ser:

0.5

L1

0.5 0.5

MG2

0.5

P2

T1

V V

..............................(9.28)

M

m m P

T

1 2

1 L2 2 G1

0.5 0.5 0.5

0.5

L1

T2 M

G1

P1

G m1

Gm2

............................(9.28)

P2

L2 T1

MG2

Donde T es temperatura absoluta y M peso molecular

Eficiencias del empaquetado (HTU y HETP) La eficiencia de una columna de relleno se expresa en funcin de la altura de

relleno necesaria para realizar el intercambio definido, se puede expresar como: HTU (Height of Packing Equivalent to One Transfer Unit) Altura de relleno

equiva-lente a una unidad de transferencia.

HETP (Height of Packing Equivalent to One Theorical Plate). Altura de

empaqueta-do equivalente a un plato terico. El concepto de HEPT se utiliza en operaciones de destilacin, donde se puede

calcu-lar de modo sencillo en nmero de etapas tericas. El concepto de HTU se

utiliza en operaciones de absorcin, aunque puede utilizarse en destilacin si

aplicamos la siguiente relacin entre ambos.

mGm

HTU ln

HETP Lm

................................................................(9.30)

mGm

Donde m = Lm 1

pendiente de la recta de operacin

Gm = Flujo molar del gas por unidad de superficie

Lm = Flujo molar del Lquido por unidad de superficie

Determinacin de HTU

Las ecuaciones desarrolladas por Cornell nos dan el valor emprico de HTUG ,

basa-do en datos publicado para rellenos del tipo anillos Raschig y sillas Berl Para anillos Raschig

1

0.5 1.24

HTUG ScG D' Z 3

........................................(9.31)

( Lf1 f 2 f 3 ) 0.6 12 10

Para Sillas Berl 1

0.5 111.

HTUG ScG D' Z 3

.........................................(9.32) ( Lf1 f2 f3 )

0.5 12 10

Donde: HTUG Altura de una unidad de transferencia de fase gaseosa = Parmetro para el material de relleno FIG 9.19 Y 9.20

ScG G G DG Nmero de Schmidt para fase gaseosa L = Flujo msico superficial del lquido, lb/hr ft

2

f1 L 2.420.16

f 2 62.4 L 1.25

f3 72.8 0.8

D' = Dimetro de la columna, in. Z =........ Altura del empaquetado, ft

G L = viscosidad del gas y liquido lb/ft hr G L =

3

densidad del gas y del lquido lb/ft

= tensin superficial dyn/cm DG =...... coeficiente de difusin gaseosa.

Columnas De Contacto 9.23

DISEO DE EQUIPOS E INSTALACIONES Columnas De Contacto


Determinacin de HETP

El valor de HETP puede estimarse por la ecuacin de Murch siguiente:

K K 1/3 '

L

HETP K1G 2 D' 3 Z

......... ...... ....... ...... ...... ....... ...... .....

(9.33)

' L

Donde: K1 , K2 ; K3 constantes de FIG 9.21

D' = Dimetro de la columna, in. Z =........ Altura del empaquetado, ft

' L = viscosidad del liquido , cp 'L =

3

densidad del lquido g/cm

G = Flujo msico superficial del gas, lb/hr ft2

= Volatibilidad relativa



COMPARACIN ENTRE TORRES DE CONTACTO

La seleccin entre una columna de platos o una de relleno depende de conceptos

econmicos. Sin embargo en un estudio preliminar podemos basar su seleccin 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 vara no solo por el tipo y tamao del relleno sino

tam-bin por las propiedades del fluido, caudales, dimetro de columna etc. 2.- Si el flujo de lquido es pequeo comparado con el del gas es preferible

utilizar columnas de platos pues necesitan menores factores de seguridad

en el diseo por causa de la dispersin del lquido 3.- Las columnas de platos pueden manejar un rango ms amplio de caudales

sin inundacin. 4.- Si los lquidos tienen slidos en suspensin 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 instalacin del sistema de enfriamiento 6.- El peso total de una columna de platos es menor que en una de relleno si

estn vacas, en cambio llenas tienen un peso similar 7.- La informacin de diseo 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 tamaos de las torres empaquetadas son menores a 4 ft en dimetro y

las columnas de platos son mayores a 2 ft en dimetro. 10.-Las columnas de rellenos son ms fciles de construir y mas baratas si

trabaja-mos con fluidos corrosivos. 11.-Si tenemos lquidos con gran tendencia a formar espuma se deben utilizar

torres empaquetadas 12.-El almacenamiento de lquido en la columna es muy inferior para las torres

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

previene contra el colapso, por lo que se utilizan en operaciones a vaco.



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 sujecin, bocas de

hombre y toberas. 2.- Coste de los elementos internos como platos, accesorios, empaquetado,

soportes y platos de distribucin. 3.- Coste de elementos auxiliares como plataformas, escaleras, pasamanos y aisla-

mientos. Las siguientes figuras incluyen tablas y grficos para estimar estos costes en

dlares de enero 1990.


DISEO DE EQUIPOS E INSTALACIONES Columnas De Contacto


Las siguientes especificaciones son aplicables a un plato con tapa circular : Dimetro = 10.0 ft Espacio entre platos = 26 in. Corriente liquido cruzada Longitud de presa (weir length)= 6.2 ft Altura de presa (weir height) = 3.0 in Apertura lateral (skirt clearance) = 0.5 in Inundacin esttica (static submergence) = 0.5 in Slots rectangulares Altura de los slots = 1.5 in Ancho de los slots = 0.3 in rea transversal total de los orificios del bubble-cap = 9 ft

2

Las tapas circulares estn atornilladas al plato. Separacin entre el borde inferior del vertedero y el plato = 2.5 in Nmero de filas de tapas perpendiculares al flujo de lquido = 11 Para una fila media de tapas perpendiculares a la direccin del fluido espacio

total entre taladros (risers) = 4,4 ft . Espacio total entre tapas = 2.7 ft . Ancho del plato = 9 ft

El rea transversal de paso de vapores en el interior del bubble-cap es la misma en todos los puntos.

o Este plato de tapa circular va a ser utilizado en las siguientes

condiciones :

Densidad de Vapor = 0.15 lb/ft3

Densidad de lquido = 50 lb/ft3

Velocidad de vapor superficial = 1.8 ft/s Caudal de lquido = 1 ft

3/s

Estimar la prdida de presin del gas a lo largo del plato. El porcentaje debido a

la altura del lquido sobre la tapa circular y la altura de liquido en el vertedero. Determinacin de la prdida de presin y altura del lquido en el vertedero para

un plato de orificios Las condiciones de operacin y diseo del ejemplo anterior (9.6.3) son aplicables excepto las dimensiones de la tapa circular y presa que se cambian por:

Orificios taladrados en configuracin triangular equiltera con o dimetro= 3/16 in

Espesor del plato = 3/16 in Area activa del plato = 88 % del rea transversal de columna Area de orificios = 5 % del rea activa del plato. Altura de presa = 2.0 in Gradiente de liquido (hg) despreciable.

Estimar la prdida de presin del gas a lo largo del plato. El porcentaje debido

a la altura del lquido sobre los orificios y la altura de liquido en el vertedero.

Determinacin del tiempo de residencia en el vertedero

Una torre con platos de vlvula con espaciado entre platos de 24 in y flujo de

lquido cruzado contiene vertederos de segmento de circunferencia recto. La

presa a la entrada a los vertederos es de 3 in el dimetro interno de la torre (D)

de 5 ft y la longitud de la presa es de 0.6 D . Si el lquido tiene una densidad de

55 lb7ft3 y fluye a 30000 lb/hr estimar el tiempo de residencia en el vertedero.

Estimacin de la prdida de presin en una torre empaquetada. Una columna de 2 ft de dimetro est empaquetada con anillos Raschig cermi-cos de in. Si hacemos fluir aire a travs de la torre a una velocidad superficial

de 600 lb/hr ft2 a 1 atm y 70 F estimar la prdida de presin a travs del empa-

quetado seco. Si fluye agua a 70 F en contracorriente a 800 lb/hr estimar la pr-dida de presin a travs del empaquetado hmedo. Dar los resultados en in H2O por ft de empaquetado y comparar los resultados con la figura 9.13.

Estimacin de la velocidad mxima del gas en una torre empaquetada.

Una torre de destilacin empaquetada se opera a un presin media de 1 atm. La relacin de reflujo es tal que se puede asumir un valor de L/G = 1 . La columna se opera al 60 % del flujo mximo de gas. En estas condiciones el flujo de gas es de 100 lb/hr y la velocidad superficial de gas es de 1.5 ft/s . si reducimos la presin de operacin hasta 100 mm Hg manteniendo L/G estimar el flujo mxi-mo de gas en lb/hr Datos:

3 1 Atm 100

mmHg

G, lb/ft 0.20 0.031

L,

lb/ft

3 50.0 52.0

L,

cp

0.5 0.7

Estimacin del coste de una torre tipo bubble-cap.

Una torre de destilacin contiene 18 platos con tapa circular de acero . Una

boca de hombre de 18 in se localiza encima de cada plato y otra se localiza

debajo del plato inferior. El dimetro interior de la torre es de 6 ft. y la altura

total, incluida la camisa soporte es de 50 ft . La carcasa es de acero

(densidad = 490 lb/ft3) con un espesor de 5/8 in. La torre est equipada con

las siguientes toberas: 1 de 10 in para lnea de vapor, 3 de 4 in y 6 de 2 in .

Tiene adems seis enganches de 1 in. Estimar el coste de la columna con los

platos instalados. El peso total de la columna se estima en 1.2 veces el peso

de la carcasa. El material de construccin es acero al carbono.

BIBLIOGRAFA 1 PLANT DESIGN AND ECONOMICS FOR CHEMICAL ENGINEERS Peters and

Timmerhaus Chapter 16 MASS TRANSFER AND REACTOR EQUIPMENT.... McGraw Hill

[2 PROCESS COMPONENT DESIGN. P. Buthod & all, Captulo 10 y 11. Universidad de Tulsa .Oklahoma

[3 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN. Coulson & R. Ch. E. Vol 6.

[4 MANUAL DEL INGENIERO QUMICO. Perry & Chilton.

operaciones de separacion mecánica

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