Columnas de platos

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La absorción de gases es una operación unitaria por la que los componentes solubles (absorbatos) de una mezcla gaseosa se disuelven en un líquido. La operación inversa, denominada desorción, desabsorción o agotamiento, consiste en la transferencia a un gas de los componentes (solutos) volátiles de una mezcla líquida. Para conseguir el contacto íntimo de las fases, líquido y gas, ambas operaciones utilizan el mismo tipo de equipo que la rectificación que es la separación de los constituyentes de una mezcla líquida por destilaciones sucesivas (vaporizaciones parciales y condensaciones). La destilación es la separación de los constituyentes de una mezcla líquida mediante la vaporización parcial de la mezcla y la recuperación, por separado, del vapor y el residuo líquido.

Normalmente, las operaciones de absorción, desabsorción y rectificación se realizan en las denominadas torres o columnas, que son recipientes cilíndricos esbeltos, en posición vertical y en cuyo interior se incluyen dispositivos como bandejas o lechos de relleno. Generalmente, el gas y el líquido fluyen en contracorriente por el interior de la torre, cuyos dispositivos promueven el contacto entre las fases y el desarrollo de la superficie interfacial a través de la cual se producirá la transferencia de materia.

El diseño de columnas de platos para operaciones de absorción o desorción se basa en muchos de los principios utilizados en los cálculos de operaciones de rectificación, tales como la determinación del número de platos teóricos necesario para conseguir un cambio de composición especificado. Estas columnas pueden resultar económicamente preferibles para operaciones en gran escala, pueden presentar mejor “relación de flujo descendente” y están menos sujetas a ensuciamiento por sólidos que las columnas de relleno.

Tipos de platos

Las columnas de platos utilizadas para produ

1. Platos con flujo cruzado.
2. Platos con flujo en contracorriente.

El plato con flujo cruzado (fig.1a) utiliza un conducto descendente o bajante de descarga del líquido y se suele emplear más que el de flujo en contracorriente (fig.1b) porque presenta como ventajas mayor eficacia en la transferencia y un intervalo de condiciones de operación más amplio. El patrón de flujo del líquido en un plato con flujo cruzado se puede controlar colocando bajantes para lograr la estabilidad deseada y la eficacia de la transferencia.

Platos con flujo cruzado

La mayoría de los platos de flujo cruzado utilizan perforaciones para la dispersión del gas en el líquido. Estas perforaciones pueden ser simples orificios circulares, o pueden disponer de “válvulas móviles” que configuran orificios variables de forma no circular. Estos platos perforados se denominan platos de malla o platos de válvula. En los primeros, debe evitarse que el líquido fluya a través de las perforaciones aprovechando para ello la acción del gas; cuando el flujo de gas es lento, es posible que parte o todo el líquido drene a través de las perforaciones y se salte porciones importantes de la zona de contacto. El plato de válvula esta diseñado para minimizar este drenaje, o goteo, ya que la válvula tiende a cerrarse a medida que el flujo de gas se hace más lento, por lo que el área total del orificio varía para mantener el balance de presión dinámica a través del plato. tomando como mejor dato la cantidad

Platos en contracorriente

En estos, el líquido y el gas fluyen a través de las mismas aberturas. Por ello, no disponen de bajantes. Las aberturas suelen ser simples perforaciones circulares de diámetro comprendido de entre 3 y 13 mm (1/4 a _ pulgadas) (p o de flujo doble) o hendiduras largas de anchura entre 6 y 13 mm (1/4 a 1/2 pulgadas) (bandeja Turbogrid). El material del plato puede plegarse o “corrugarse” (bandeja Ripple) para separar parcialmente los flujos de gas y líquido. En general, el gas y el líquido fluyen en forma pulsante, alternándose en el paso a través de cada abertura.

Para el contacto de gases con líquidos que contienen sólidos se utiliza frecuentemente el denominado plato deflector o “placa de dispersión” (fig. 4). Normalmente tiene forma de media luna y una ligera inclinación en el sentido de flujo del líquido. El gas se pone en contacto con el líquido que se derrama del plato y cae al interior, pudiéndose utilizar en el borde del plato una esclusa o rebosadero, que puede llevar filo dentado, para mejorar la distribución del líquido descendente.

En el plato deflector, el líquido actúa como fase dispersa y el gas como fase continua; se utiliza principalmente en aplicaciones con transferencia de calor.

Capacidad de una columna de platos

La máxima capacidad de un plato para el manejo de los fluidos de gas y de líquido tiene gran importancia, porque determina el mínimo diámetro posible en la columna. Para un caudal de líquido constante, el aumento de la velocidad del gas produce arrastre excesivo e inundación. En el punto de inundación es difícil obtener un descenso neto del líquido y cualquier cantidad añadida a la columna será arrastrada por el gas de cabeza. También se puede llegar a inundación aumentando la velocidad de líquido mientras se mantiene la del gas constante. El caudal excesivo de líquido puede sobrepasar la capacidad de los bajantes u otros conductos, con el resultado de un aumento de del contenido del líquido, mayor caída de presión y demás características propias de la condición de inundación. La mínima capacidad admisible de una columna de platos está determinada por la necesidad de obtener una dispersión eficaz y un buen contacto entre las fases. Los distintos tipos de platos difieren en su capacidad para admitir caudales bajos de gas y de líquido. Un plato de malla con flujo cruzado puede actuar con un caudal gas reducido hasta un punto en que el líquido drena a través de las perforaciones y la dispersión del gas es inadecuada para obtener una buena eficacia. Los platos de válvulas pueden operar con caudales de gas muy bajos, gracias al cierre de las válvulas. Para todos los dispositivos existe un caudal mínimo de gas por debajo del cual se produce una dispersión inadecuada para obtener el contacto íntimo entre fases.

Acción de un plato ideal

En un plato ideal, por definición, el líquido y el vapor que salen del plato se encuentran en equilibrio. Considere en solo plato en una columna en una cascada de platos ideales, tal como el plato n que se representa en la figura 5. Suponga que los platos se enumeran en serie desde la parte superior (destilado) hasta la parte inferior (residuo) de la columna y que el plato que se considera es el número n partiendo desde la parte superior. Por los tanto, el plato inmediatamente superior es el plato n-1 y el inmediatamente inferior es el plato n+1. Los subíndices representan en todos los casos el punto de origen de la magnitud correspondiente. En el plato n entran dos corrientes de fluido y salen otras dos. Una corriente de líquido Ln-1 mol/h, procedente del plato n-1 y una corriente de vapor Vn+1 mol/h, procedente del plato n+1, se ponen en contacto íntimo. Una corriente de vapor Vn mol/h asciende hacia el plato n-1 una corriente de líquido Ln mol/h, desciende hacia el plato n+1. Puesto que las corrientes de vapor son la fase V, y sus concentraciones se representan por x. Por lo tanto, las concentraciones de las corrientes que entran y salen del plato n son las siguientes:

Vapor que sale del plato yn Líquido que sale del plato xn Vapor que entra en el plato yn+1 Líquido que entra en el plato xn-1

En la figura 6 se representa el diagrama del punto de ebullición para la mezcla tratada. Las cuatro concentraciones anteriormente citadas se representan también en esta figura. Según la definición de un plato ideal, el vapor y el líquido que salen del plato n están en equilibrio, de forma que xn y yn representan concentraciones de equilibrio. Esto se ilustra en la figura 6 El vapor es enriquecido en el componente más volátil a medida que asciende por la columna, y el líquido disminuye en A a medida que el flujo desciende. Por lo tanto, las concentraciones de A en ambas fases aumentan con la altura de la columna; xn-1 es mayor que xn, y yn es mayor que yn+1. Aunque las corrientes que salen del plato de equilibrio, las que entran no lo están, como se observa en la figura 6. Cuando el vapor procedente del plato n+1 y el líquido procedente del plato n-1 se ponen en contacto, sus concentraciones tienden hacia el equilibrio, tal como se representa por las flechas de la figura 21.4 Parte del componente más volátil A se vaporiza desde el líquido disminuyendo la concentración del líquido desde xn-1 hasta xn; y algo del componente menos volátil B se condensa desde el vapor, aumentando la concentración de vapor desde yn+1 hasta yn. Puesto que las corrientes de líquido están a sus puntos de burbuja y las corrientes de vapor a sus puntos de rocío, el calor liberado en la condensación del componente B suministra calor necesario para vaporizar el componente A. Cada plato de la cascada actúa como un aparato de intercambio en el que el componente A se transfiere hacia la corriente de vapor y el componente B hacia la corriente del líquido. Por otra parte, puesto que la concentración de A, tanto en el líquido como en el vapor, aumenta con la altura de la columna, la temperatura disminuye y la temperatura del plato n resulta ser mayor que la del plato n-1 y menor que la del plato n+1

Combinación de rectificación y agotamiento

Para obtener productos prácticamente puros, tanto en la parte superior como la parte interior de la columna de destilación, la alimentación se introduce en un plato de la parte central de la columna. Si la alimentación es líquida, desciende por la columna hacia el hervidor y se agota en el componente A por el vapor que asciende desde el hervidor. Por este medio se obtiene un producto residual, que es el componente B casi puro. En la figura 7 se representa una columna típica de fraccionamiento continuo equipada con los accesorios necesarios y que contiene secciones (zonas) de rectificación y agotamiento. La columna A se alimenta cerca de su parte central con un flujo de alimentación constante de concentración definida. Suponga que la alimentación es un líquido a su temperatura de ebullición. El plato en el que se introduce la alimentación recibe el nombre de plato de alimentación. Todos los platos que se encuentran por encima del plato de alimentación constituyen la sección (zona) de rectificación, mientras que todos los platos por debajo de la alimentación, incluyendo también el plato de la alimentación, constituyen la sección (zona) de agotamiento. La alimentación desciende por la sección de agotamiento hasta el fondo de la columna, donde se mantiene un nivel definido de líquido. El líquido fluye por gravedad hasta el hervidor B, que es un vaporizador calentado con vapor de agua que genera vapor y lo devuelve al fondo de la columna. El vapor asciende por toda la columna. En el extremo del intercambiador de calor hay un vertedero. El producto residual se retira desde la masa de líquido en el lado de la corriente descendente del vertedero y circula a través del enfriador G. Este enfriador también precalienta la alimentación mediante el intercambio de calor con los residuos calientes. Los vapores que ascienden a través de la sección de rectificación se condensan totalmente en el condensador C, y el condensado se recolecta en el acumulador D, en el que se mantiene un nivel definido. La bomba de reflujo F toma el líquido del acumulador y lo descarga en el plato superior de la torre. Esta corriente de líquido recibe el nombre de reflujo. Constituye el líquido que desciende por la sección de rectificación que se requiere para interaccionar con el vapor que asciende. Sin el reflujo no habría rectificación en esta sección de la columna, y la concentración del producto de destilado no sería mayor que la del vapor que asciende del plato de alimentación. El condensado que no es recogido por la bomba de reflujo se enfría en el intercambiador de calor E, llamado enfriador de producto, y se retira como producto destilado. Si no se forman azeótropos, los productos destilados y residual pueden obtenerse con cualquier pureza deseada siempre y cando haya suficientes platos y se utilice un reflujo adecuado.

La planta que se representa en la figura 7 con frecuencia se simplifica para pequeñas instalaciones. En lugar del hervidor puede instalarse un serpentín de calentamiento en el fondo de la columna para generar vapor desde la masa del líquido. A veces el condensador se sitúa encima de la parte superior de la columna y se suprimen el acumulador y la bomba de reflujo. En este caso el reflujo retorna por gravedad al plato superior. Una válvula especial, llamada divisor del reflujo, se utiliza para controlar la velocidad de retorno del reflujo. El resto del condensado constituye el producto destilado.

Efectos térmicos en la absorción de gases

Una de las consideraciones más importantes para la operación de las columnas de absorción gas-líquidos se refiere a la posible variación de la temperatura a lo largo de la columna, debido a efectos térmicos, pues la solubilidad del gas a absorber, normalmente depende fuertemente de la temperatura. Los efectos térmicos que pueden producir variaciones de la temperatura a lo largo de la columna de absorción se deben a:

1. El calor de disolución del soluto (incluyendo calor de condensación, calor de mezcla y calor de reacción) que puede dar lugar a la elevación de la temperatura del líquido.
2. El calor de vaporización o condensación del disolvente.
3. El intercambio de calor sensible entre las fases gas-líquido.
4. La pérdida de calor sensible desde los fluidos hacia los dispositivos de enfriamiento interiores o exteriores o a la atmósfera a través de las paredes de la columna.

Otras Definiciones

• Arrastre. En una columna de platos, el arrastre está formado por el líquido que el vapor transporta desde un plato al inmediato superior.
• Escurrido. El flujo de líquido a través de las perforaciones del plato de malla ocurre cuando la caída de presión del gas a través de las perforaciones no es suficiente para crear una superficie de burbuja y soportar la presión estática de la espuma sobre las perforaciones.