COLUMNAS DE RELLENO

En las columnas de relleno la operación de transferencia de masa se lleva a

cabo de manera continua. La función principal del relleno consiste en aumentar la

superficie de contacto entre el líquido y el vapor, aumentar la turbulencia y por

tanto mejorar la eficacia. A medida que aumenta el tamaño del relleno disminuye

la eficiencia de la transferencia de materia y aumenta la pérdida de carga, por

tanto para determinar el tamaño óptimo de relleno habrá que llegar a un

compromiso entre estos dos factores.

La selección del material de relleno se basa en criterios como resistencia a la

corrosión, resistencia mecánica, resistencia térmica y características de mojado.

Además, es necesario disponer un distribuidor de líquido en la parte superior de la

columna para asegurar que el líquido moje de manera uniforme todo el relleno y

no se desplace hacia las paredes.

Se tienen varios tipos de relleno:

Al azar: este tipo de relleno es bastante económico y suelen ser de

materiales resistentes a la corrosión (metálicos, cerámicos o de plástico). Los

rellenos más empleados eran los anillos Rashig y las sillas o monturas Berl, pero

ahora han sido reemplazados por otros más eficientes como los anillos Pall, las

monturas Intalox y los anillos Bialecki.

- Estructurado: es bastante más caro por

unidad de volumen que el relleno al azar, pero

ofrece mucha menos pérdida de carga por etapa

y tiene mayor eficiencia y capacidad.

 

El empleo de columnas de relleno frente a las de platos se ve favorecido en

los siguientes casos:

- cuando las columnas son de pequeñas dimensiones ( menos de 0,6m de

diámetro y una altura de relleno inferior a 6m)

- si se tienen sustancias corrosivas o se forma mucha espuma

- si se requiere que la pérdida de carga en la columna sea pequeña

- si la velocidad del líquido es elevada

1.- DISEÑO DE COLUMNA EMPACADA

Para el diseño de una columna empacada debemos tener en cuenta

conseguir el máximo de transferencia del contaminante con el mínimo consumo de

energía y tamaño de la columna. El cálculo principal en el diseño de la columna es

la altura del empaque necesaria para conseguir la transferencia de contaminante

al líquido deseado, en función del equilibrio que tenga entre gas y líquido. Aunque

existen otros parámetros importantes, como son el diámetro de la columna, los

caudales de gas residual y líquido, el tipo de empacadura y la caída de presión.

El diseño de una columna empacada involucra las siguientes etapas:

1. Seleccionar el tipo y tamaño de empaque.

2. Determinar la altura de la columna para la separación especificada.

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

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

2.- EMPAQUES

Los empaques están diseñados de acuerdo a características especiales de la

columna empacada que se vaya a utilizar entre dichas características podemos

mencionar las siguientes:

• Proporcionar un área grande: Con esto nos referimos a que dicho tipo de

empaque conste con un área interfacial entre el gas y el líquido grande.

• Tener una estructura abierta: Con esto se refiere a que dicho tipo de empaque

conste de una baja resistencia al flujo de gas.

• Promover distribución uniforme de líquido sobre la superficie del empaque.

• Promover un flujo de gas o vapor uniforme a través de la sección transversal de

la columna.

2.1.- TIPOS DE EMPAQUE

Diversos tipos y formas de empaques han sido desarrollados para satisfacer

estas características antes mencionadas los cuales se dividen en 3 tipos:

Empaques vaciados o al azar. Estas son piezas discretas de empaques de una

forma geométrica específica las cuales son vaciadas o colocadas al azar en la

columna.

2. Empaques estructurados o arreglados. Estos se hacen en capas de

malla de alambre u hojas corrugadas. Secciones o partes de estos empaques son

colocados dentro de la columna.

3. Parrillas. Estas también son colocadas sistemáticamente dentro de la

columna. Los empaques al azar son por mucho los más comunes en la industria.

Los empaques estructurados son los menos utilizados en la industria, pero su

inclusión ha crecido rápidamente en la última década. Las aplicaciones de las

parrillas están limitadas principalmente a servicios de transferencia de calor y

lavado y/o donde se requieran altas resistencias a las incrustaciones.

Dentro de estos empaques podemos nombrar la historia de la evolución

.- USOS DE COLUMNAS EMPACADAS

Las columnas empacadas son usadas para destilación, absorción de gases, y extracción liquido-liquido.

El contacto liquido – gas en una columna empacada es continua, no por etapas, como en una columna de platos. El flujo de liquido cae hacia abajo en la columna sobre el área de empaque y el gas o vapor, asciende en contracorriente,

en la columna. En algunas columnas de absorción de gases se usa corrientes en flujo contra corriente. La performance de una columna empacada depende mucho del mantenimiento de una buena distribución de líquido y gas a través del lecho empacado, y esto es una consideración importante en el diseño de columnas empacadas.

TRANSFERENCIA DE MASA DIFERENCIAL

Coeficientes de transferencia de masa para torres empacadasCuando una torre empacada se hace funcionar en la forma usual como un absorbedor o desorbedor a contracorriente para la transferencia de soluto entre el gas y el liquido, la rapidez de la transferencia del soluto puede calcularse a partir de los valores medidos de la rapidez del flujo de gas y de liquido y de las concentraciones totales del soluto en las corrientes entrantes y salientes.

Debido a la imposibilidad de medir las concentraciones del soluto en la interface gas-liquido, la rapidez resultante de la transferencia de masa solo puede expresarse como coeficientes globales, y no como coeficientes para cada uno de los fluidos. Más aun, puesto que el área interfacial entre el gas y el líquido no se mide directamente por dichos experimentos, el flux de la transferencia de masa no puede determinarse; en lugar de esto, la rapidez solo puede determinarse como el producto del flux y el área interfacial total. Dividiendo estas rapideces entre el volumen del empaque, los resultados aparecen como “coeficiente volumétrico globales”, Kxa, Kya, KGa, Foga, etc., en donde a es la superficie interfacial por unidad de volumen empacado.

Los coeficientes de transferencia de masa de cada fluido (Kxa, Kya, KGa, Foga) y el área interfacial a que forman estos coeficientes volumétricos globales, dependen en forma diferente de las propiedades del fluido, rapideces del flujo y tipo de empaque. En consecuencia, los coeficientes volumétricos globales son útiles solo en el diseño de torres llenas con el mismo empaque y que manejen el mismo sistema químico a la misma rapidez de flujo e iguales concentraciones que las existentes durante las mediciones. Para obtener un diseño general, son necesarios el coeficiente de cada fluido y el área interfacial.Para obtener cada coeficiente el método general ha sido escoger aquellas condiciones experimentales en que la resistencia a la transferencia de masa en la fase gaseosa sea despreciable en comparación con la del líquido. Esto sucede en la absorción o desorción de gases muy insolubles; oxigeno o hidrogeno en agua.

Las mediciones en dichos sistemas llevan a valores de Kxa, Kya, KGa y Foga que pueden correlacionarse en función de las variables del sistema. Evidentemente no hay sistemas en que la absorción o desorción ocurran con un

solo soluto tan soluble en el liquido que la resistencia en la fase liquida sea completamente despreciable. Ahora bien, restando a las resistencias globales la resistencia conocida del líquido, es posible llegar a los coeficientes de la fase gaseosa Kxa, Kya, KGa, Foga y correlacionarlos en función de las variables del sistema.Otro método para obtener los coeficientes puros de la fase gaseosa es hacer mediciones cuando un líquido puro se evapora en un gas. Aquí no hay resistencia del líquido, puesto que no hay gradiente de concentraciones dentro del líquido.

NUMERO DE UNIDAD DE TRANSFERENCIA

El desempeño de un intercambiador de calor puede ser expresado en términos del número de unidades de transferencia de calor, NTU de lo que es capaz el intercambiador de calor. NTU puede definirse para trabajo en una sola fase, como la proporción del cambio de temperatura de un fluido al medio de diferencia de temperatura o el LMTD entre los dos fluídos, por ejemplo:NTU = (ti - to) / LMTD donde ti - temp inicial, to - temp final lado 1.

ALTURA DE LA UNIDAD DE TRANSFERENCIA

El concepto de una unidad de transferencia se basa en la idea de dividir la sección de relleno en varias unidades de contacto llamadas unidades de transferencia. A la altura de relleno necesaria para una unidad se le llama altura de la unidad de transferencia, y se representa por HTU. La altura total de una sección de relleno es:

Donde NG es el numero de unidades de transferencia y HG la altura de la unidad de transferencia. La altura de una unidad de transferencia del gas queda definida por la siguiente ecuación:

Mientras que la altura del empaque, Z:

El valor de la integral se conoce como el número de unidades de transferencia del gas, NG y HG es la altura del empaque que da una unidad de transferencia del gas.

Sustituyendo el promedio aritmético por el promedio logarítmico (1-y)iM que tiene poco error:

Que puede integrarse fácilmente de manera grafica, como el área bajo la curva de 1/(y-yi) vs y.

Cuando se trabaja con soluciones diluidas, el segundo término de la derecha de la ecuación anterior se puede despreciar, de tal forma que:

Las ecuaciones homologas a las anteriores, escritas en función de las concentraciones del líquido son:

Donde:

HL ; altura de una unidad de transferencia del liquido

NL ; numero de unidades de transferencia del liquido (1-x)iM ; Media logarítmica de (1- X) y (1- Xi)

Para soluciones diluidas.

Utilizando con cualquiera de los dos conjuntos de ecuaciones se llega al mismo valor de Z

ALTURA EQUIVALENTE A UN PLATO TEÓRICO

(HETP) es la altura del empaque necesaria para que las concentraciones del líquido y el vapor que salen de él sean correspondientes a las condiciones de equilibrio. Esta magnitud hay que determinarla experimentalmente, y es función del tipo y tamaño del relleno, de los flujos de líquido y vapor y, para algunas mezclas, de su composición; por tanto, es necesario disponer de un gran número de datos experimentales para su aplicación al cálculo de éstas columnas, y de aquí que actualmente se tienda a prescindir de su empleo para ello se define el concepto de altura equivalente de plato teórico:

CAÍDA DE PRESIÓN

Caída de Presión para el flujo de una única faseCuando solo el fluido llena los vacios en el lecho, la caída de presión sufrida por un único fluido al fluir a través de un lecho de sólidos empacados, como esferas, cilindros, grava, arena, etc. Esta razonablemente bien correlacionado mediante la ecuación de Ergun.

También se pude aplicar con igual éxito al flujo de gases y líquidos. El término del lado izquierdo es un factor de fricción. Los términos de la derecha representan ontribuciones al factor de fricción; el primero para flujo puramente laminar y el segundo para flujo completamente turbulento. Hay una transición gradual de un tipo de flujo al otro, debido al carácter diferente de los espacios vacios, ya que los dos términos de la ecuación cambian en importancia relativa cuando el flujo cambia.

Es el diámetro efectivo de las partículas, el diámetro de una esfera con la misma relación superficie/volumen que el empaque en su lugar. Si la superficie es ap , la superficie por unidad de volumen de las partículas es ap/ (1-€). De las propiedades de una esfera s, se tiene:

Normalmente esto no será lo mismo que el tamaño nominal de las partículas. Para el flujo de gases de una G’ mayor de aproximadamente 0.7 kg/m2.s, el primer termino del lado derecho de la ecuación anterior es depreciable. Para un tipo y tamaño específicos del empaque fabricado de la torre, la ecuación puede simplificarse a la expresión empírica:

Caída de presión para el flujo de dos fases

Para el flujo simultáneo a contracorriente de líquido y gas, los datos de caída de presión de diferentes investigadores muestran amplias discrepancias, debido a las diferencias en la densidad y la fabricación del empaque; discrepan, por ejemplo, en los cambios en el espesor de las paredes. Por lo tanto, no puede esperarse que las estimaciones sean muy exactas.