TIPOLOGA DE COLUMNAS Y

TANQUES AGITADOS

MECNICAMENTE

1. Tipologa de columnas

Existen diferentes equipos de intercambiadores de masa, estos se

dividen en columnas de transferencia de masa y tanques de mezclado.

Las columnas de transferencia de masa se clasifican segn la operacin

que realizaran.

1.1. Columna de platos

Las torres de platos son cilindros verticales en que el lquido y el gas se

ponen en contacto en forma de pasos sobre platos o charolas. El lquido

entra en la parte superior y fluye en forma descendente por gravedad. En

el camino, fluye a travs de cada plato y a travs de un conducto, al plato

inferior. El gas pasa hacia arriba, a travs de orificios de un tipo u otro en el

plato; entonces burbujea a travs del lquido para formar una espuma, se

separa de la espuma y pasa al plato superior.

El efecto global es un contacto mltiple a contracorriente entre el gas y

el lquido, aunque cada plato se caracteriza por el flujo transversal de los

dos. Cada plato en la torre es una etapa, puesto que sobre el plato se

ponen los fluidos en contacto ntimo, ocurre la difusin interfacial y los

fluidos se separan.

Las columnas de platos utilizadas en los procesos de extraccin son, casi

siempre, columnas de platos perforados; en donde la fase dispersa fluye a

travs de los agujeros de los platos y se recoge en la bandeja siguiente.

Las etapas discretas son efectivas en la reduccin de la retro mezcla.

1.2. Columna de atomizacin:

Las columnas de atomizacin, tambin llamadas columnas de

pulverizacin, representan el equipo de transferencia de masa ms sencillo

de construir. La fase dispersa se roca en pequeas gotas en la fase

continua. En este equipo el atomizado puede estar en el fondo de la

columna cuando la fase menos densa es la que va a dispersarse. Sin

embargo, la operacin de este equipo posee un alto grado de

retromezcla.

Figura 1. Columnas de atomizado

Fuente: John Metcalfe

La fase dispersa puede ser ligera o pesada en el primer caso, Figura

1a, la fase ligera entra al fondo de la columna y las gotas ascienden a

travs de la fase pesada formando una interface lquido lquido en el

extremo superior de la columna. Otra posibilidad consiste en dispersar la

fase pesada, en este caso la interface se mantiene en el extremo inferior

de la torre Figura 1b.

1.3. Columnas de burbujeo

Las columnas de burbujeo se emplean con frecuencia en la industria

qumica como absorbedores, fermentadores y reactores en los que tienen

lugar reacciones heterogneas lquido gas o gas slido. Entre las

principales ventajas que presentan frente a otros equipos de transferencia

de masa son:

1.3.1. Menor costo de mantenimiento debido a ausencia de partes

mviles.

1.3.2. reas interfaciales efectivas

1.3.3. Coeficientes de transferencia de masa altos

1.3.4. Altos tiempos de residencia

Las columnas de burbujeo se utilizan, particularmente, en sistemas gas

lquido en los que la fase lquida contrala la transferencia de masa. Se

caracterizan porque en ellas se forman pequeas burbujas de gas que

proporcionan grandes reas de transferencia de masa. Adems, hay

transferencia de masa durante la formacin de las burbujas y durante el

ascenso de las mismas a travs del lquido.

Figura 2. Columna de burbujeo

1.4. Columnas empacadas

Las torres empacadas, utilizadas para el contacto continuo del lquido y

del gas tanto en el flujo a contracorriente como a corriente paralela, son

columnas verticales que se han llenado con empaque o con dispositivos

de superficie grande. El lquido se distribuye sobre stos y escurre hacia

abajo, a travs del lecho empacado, de tal forma que expone una gran

superficie al contacto con el gas.

1.5. Columnas de pared mojada o pelcula

Estos aparatos se han utilizado para estudios tericos de transferencia

de masa, debido a que la superficie interfacial entre las fases se mantiene

fcilmente bajo control y puede medirse. Industrialmente se han utilizado

como absorbedores para cido clorhdrico, en donde la absorcin va

acompaada por una gran evolucin de calor.

En este caso, la torre de paredes mojadas est rodeada por agua fra

que fluye rpidamente. Los aparatos de varios tubos tambin se han

utilizado para la destilacin, en aquellos casos en que la pelcula del

lquido se genera en la parte superior por condensacin parcial del vapor.

La cada de presin del gas en estas torres es probablemente menor que

en cualquier otro aparato de contacto gas-lquido, para un conjunto dado

de condiciones de operacin.

Una torre de pared mojada es esencialmente un tubo vertical con

dispositivos para admitir lquido en su parte lateral superior y provocar un

flujo descendente del mismo a lo largo del interior del tubo por efecto de

la gravedad, as como admitir gas por el interior del tubo, fluyendo a travs

del tubo en contacto con el lquido. En general el gas entra por el fondo

de la torre y fluye en contracorriente con el lquido, pero tambin puede

operarse en paralelo.

Figura 3. Columna de pared mojada

2. Tanques agitados mecnicamente

La agitacin mecnica de un lquido, efectuada por lo general

mediante un aparato giratorio, es adecuada en especial para dispersar

slidos, lquidos o gases en lquidos, y se utiliza para muchas de las

operaciones de transferencia de masa. Los agitadores pueden producir

intensidades de turbulencia muy elevadas.

2.1. Agitacin mecnica de lquidos en una sola fase

Los tpicos tanques con agitacin son cilindros verticales, circulares; los

tanques rectangulares son poco usuales, aun cuando no son raros en

algunas aplicaciones de extraccin de lquidos. Los lquidos generalmente

se mantienen a una profundidad de uno a dos dimetros del tanque.

2.2. Agitacin mecnica en contacto gas lquido

Los mezcladores sin movimiento fueron desarrollados para la mezcla de

lquidos viscosos bajo condiciones donde no es necesaria o no se desea la

turbulencia. A causa del capital, mantenimiento y costo de operacin

bajos, se han vuelto muy populares en otra clase de aplicaciones; stas

incluyen el mejoramiento de la transferencia de calor (especialmente para

flujos demasiado viscosos), la mezcla de gases, la suspensin lquido-

lquido, la dispersin lquido-gas y otras aplicaciones. Con las

modificaciones apropiadas pueden servir aun para a mezcla slido-slido.

Las positivas caractersticas de mezcla y baja cada de presin de los

mezcladores sin movimiento los hacen superiores a las placas de orificio en

casi todas las aplicaciones.

COLUMNAS DE PLATOS

Algunas operaciones bsicas en ingeniera qumica como lo son: la

absorcin de gases, desorcin, rectificacin, entre otras; se realizan en

columnas que son iguales. Estas son cuerpos cilndricos dispuestos en

posicin vertical y en su interior se encuentran dispositivos; los cuales

pueden ser: bandejas, platos, etctera. El objetivo principal de los platos es

dar una gran superficie de contacto entre las fases liquida y gaseosa.

Dichas fases se ponen en contracorriente. A partir de esto ocurre una

transferencia de masa a causa del gradiente de concentracin.

El diseo de las columnas de platos mencionadas se basa en los

clculos para la determinacin del nmero de platos para conseguir una

concentracin determinada a partir de la absorcin de gases. Para realizar

el clculo del nmero de platos tericos necesarios para la columna

existen dos mtodos. El mtodo grfico y el mtodo analtico.

Para el clculo del nmero de platos terico por el mtodo grfico

se debe realizar una grfica a partir de diagramas de equilibrio, donde el

diseo debe ser una parte integrada que incluya una distribucin de un

solo soluto entre el disolvente y la fase gaseosa. Para encontrar el nmero

de platos tericos se debe escalonar el diagrama de equilibrio como se

muestra a continuacin:

Figura 1. Ejemplo del clculo grfico del nmero de platos tericos.

Fuente: www.plantasquimicas.iespana.es

En la figura 1 se muestra un ejemplo de clculo del nmero de platos

tericos. El punto inicial (Po), representa las composiciones del lquido a la

entrada a la columna y las composiciones del gas que sale por la parte

superior de la columna.

Para el clculo de platos tericos por el mtodo analtico se empieza

por la parte inferior de la columna hasta llegar a la parte superior. Se utiliza

el principio de plato ideal, en el cual los corrientes lquido y gas se

encuentran en equilibrio respecto la temperatura y la composicin.

Figura 2. Esquema de una columna de platos de absorcin de gases.

A continuacin se muestran los balances de materia total y parcial en el

soluto hasta el plato n:

BALANCE TOTAL:

BALANCE EN EL SOLUTO:

A partir de un balance de entalpa se pueden encontrar Ln i xn :

BALANCE EN EL SOLUTO:

Mediante la corriente del lquido en el plato n, (Ln) se puede

determinar cual es la temperatura de trabajo, de modo que el corriente

gaseoso en el plato n (Gn) se encuentra a la misma temperatura, que la

corriente del lquido en el mismo plato. Al mismo tiempo las composiciones

de estos se encuentran en equilibrio. Por esta razn el balance de materia

y el de entalpa se aplican desde plato n-1 hasta el alto de la columna.

Inicialmente los datos que se suelen tener son las temperaturas de los

corrientes L0 yGNp+1, de modo que es necesario calcular la temperatura

t1 de la corriente de gas G1. Esta temperatura ser la misma que tendr el

plato de la zona superior. Con la ayuda del balance de entalpa total, se

puede calcular la temperatura del lquido que sale por el fondo de la

columna. La estimacin de los clculos se verifica cuando se llega al plato

de la parte superior de la columna.

Para determinar el nmero de platos tericos se puede realizar a

partir de dos ecuaciones diferentes. Segn los datos iniciales que es

conozcan se utilizar una o la otra. La primera opcin es la que es presenta

a continuacin:

La segunda opcin que hay para encontrar el nmero terico de

platos es a partir de la ecuacin de Kremser-Brown-Souders y es la

siguiente:

DISEO DE COLUMNAS

EMPACADAS

El diseo de una columna empacada est determinado por

aspectos de transferencia de masa, calor y comportamiento hidrulico. La

transferencia de masa y calor determinan la altura del lecho, mientras que

el comportamiento hidrulico depende el dimetro de la columna.

Determinacin del dimetro:

El dimetro de una columna empacada se determina por su

comportamiento hidrulico. Las torres empacadas usualmente se disean

para operar entre el 70 y 80% de la velocidad del gas que corresponde al

punto de inundacin.

Determinacin de la altura:

La altura de una columna empacada depende de los

requerimientos de separacin y de la eficiencia del empaque. La altura

equivalente a un plato terico se determina a partir del nmero de platos

tericos (n) para lograr la separacin requerida entre dichos platos. De

esta manera la altura de la torre se evala como el nmero de platos

tericos multiplicado por la altura entre dichos platos.

Altura de unidad de transferencia.

Para una mejor aproximacin del comportamiento real de una torre

empacada se consigue por medio del concepto de unidad de

transferencia, el cual se fundamenta en modelos de transferencia de masa

entre fases, en contacto continuo. El nmero de unidades de transferencia

(NTU) viene dado por:

Y la altura de una unidad de transferencia se calcula con expresiones tales

como:

BIBLIOGRAFA

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