Operaciones Unitarias

PU

BL

IC

AC

IO

NE

SD

E L

A U

NIV

ER

SID

AD

DE

ALI

CA

NTE

INTRODUCCINA LAS OPERACIONES

DE SEPARACINClculo por etapas

de equilibrioA. Marcilla Gomis

TEXTOS DOCENTES

Edicin electrnica:

Espagrafic

Edita:Publicaciones Universidad de Alicante

ISBN: 84-7908-405-7Depsito Legal: MU-1.148-1998

Edicin a cargo de Compobell, S.L. Murcia

Reservados todos los derechos. No se permite reproducir, almacenar en sistemasde recuperacin de la informacin ni transmitir alguna parte de esta publicacin,

cualquiera que sea el medio empleado electrnico, mecnico, fotocopia,grabacin, etc., sin el permiso previo de los titulares de los derechos

de la propiedad intelectual.

Estos crditos pertenecen a la edicin impresa de la obra.

A. Marcilla Gomis

Colaboradores:A. Gmez SiuranaA.N. Garca CortsP. Cayuela Martnez

INTRODUCCIN A LAS OPERACIONES

DE SEPARACINClculo por etapas de equilibrio

ndice

Portada

Crditos

Prlogo .......................................................................... 8

Tema 1. Operaciones unitarias. Conceptos generales ...................................... 11

Objetivos ................................................................ 111. Introduccin ...................................................... 11

2. Clasificacin de las operaciones unitarias ......... 13

3. Equilibrio y fuerzas impulsoras......................... 14

4. Operaciones unitarias controladas por la transferencia de materia .......................... 16

5. Operaciones unitarias controladas por transmisin de calor ........................................... 31

6. Operaciones unitarias controladas por la transferencia simultnea de materia y calor .. 33

7. Resumen............................................................. 40

Bibliografa ............................................................ 43

ndice

Tema 2. Equipos para contacto entre fases ................ 44Objetivos ................................................................ 441. Introduccin ....................................................... 442. Parmetros de diseo ......................................... 453. Columnas de relleno .......................................... 504. Columnas de platos para contacto

vapor-lquido ...................................................... 645. Columnas de relleno frente a columnas de platos. 796. Contactores lquido-vapor menos utilizados ..... 807. Equipo para extraccin lquido-lquido ............ 82Bibliografa ............................................................ 88Problemas............................................................... 88

Tema 3. Equilibrio entre fases. Estimacin del equilibrio............................... 95

Objetivos ................................................................ 951. Introduccin ....................................................... 962. Condiciones termodinmicas de equilibrio ....... 963. Regla de las fases de Gibbs ............................... 994. Fugacidad. Coeficiente de fugacidad. Actividad.

Coeficiente de actividad..................................... 100

ndice

5. Relaciones termodinmicas del equilibrio entre dos fases.................................................... 109

6. Coeficiente de fugacidad de la fase vapor ......... 1267. Coeficientes de actividad en mezclas lquidas . 1318. Coeficientes de actividad de mezclas slidas .... 158Bibliografa ............................................................ 159Problemas............................................................... 160

Tema 4. Equilibrio lquido vapor ................................ 171Objetivos ................................................................ 1711. Introduccin ....................................................... 1712. Regla de las fases............................................... 1733. Mezclas binarias ................................................ 173Bibliografa ............................................................ 189Problemas............................................................... 190

Tema 5. Destilacin ....................................................... 197Objetivos ................................................................ 1971. Introduccin ....................................................... 1972. Destilacin simple abierta diferencial ............... 2013. Destilacin simple continua............................... 212Bibliografa ............................................................ 215Problemas............................................................... 216

ndice

Tema 6. Rectificacin continua de mezclas binarias en columnas de pisos ..................................... 224

Objetivos ................................................................ 2241. Introduccin ....................................................... 2252. Nomenclatura..................................................... 2273. Deduccin de las ecuaciones fundamentales..... 2284. Posicin ptima del piso de alimentacin ......... 2345. Mtodo de Sorel................................................. 2406. Mtodo de Sorel-Lewis ..................................... 2457. Mtodo McCabe-Thiele..................................... 2518. Rectificacin de mezclas binarias, mtodo

de Ponchon y Savarit ........................................ 281Bibliografa ............................................................ 316Problemas............................................................... 317

Prlogo

Basta con consultar algunos de los libros de texto escri-tos sobre Operaciones de Separacin para conocer ladiversidad de temas que abarca esta materia (no todoslos libros de texto tratan todas las operaciones de separacin)y los distintos criterios y enfoques utilizados para su presen-tacin. Esta obra no pretende ser un sustituto de textos con-vencionales de Operaciones de Separacin sino que se pre-senta como una orientacin para iniciar el estudio de los fun-damentos de estos procesos. Est dirigida, especialmente, alos alumnos que cursan la asignatura de Operaciones deSeparacin I del Plan de estudios actual de IngenieraQumica de la Unversidad de Alicante. Su contenido se basaen las notas monogrficas y generales, as como los apuntes ynotas de otros profesores, centrndose en el tratamiento de lasoperaciones basadas en la transferencia de materia para elcaso de contacto por etapas de equilibrio.

A. Marcilla GomisIntroduccin a las operaciones de separacin

8NDICE

Los primeros temas de este texto tienen un carcter general.As, se comienza con un tema de introduccin y conceptosgenerales, donde se exponen los distintos criterios de clasifi-cacin de las operaciones unitarias, describiendo las opera-ciones ms convencionales controladas por la transferencia demateria y calor as como los diferentes tipos de contacto entrefases. Se contina con el desarrollo de un tema dedicado a ladescripcin de diferentes equipos para el contacto entre fases,familiarizando al alumno con algunos de los dispositivos msfrecuentes utilizados en la industria. Posteriormente se inclu-ye un tema dedicado al equilibrio entre fases, tomado en sumayor parte de la obra de Costa Novella. Los temas cuarto yquinto se centran en el estudio de la primera operacin selec-cionada, haciendo referencia al proceso de destilacin.Finalmente, el sexto tema (el ms significativo de la obra y alque se ha dedicado un especial esfuerzo) se dedica a la recti-ficacin de mezclas binarias, exponiendo un desarrollo -delque cabra resaltar los mtodos grficos- original de los auto-res. De este modo, la resolucin del problema de diseo decolumnas de rectificacin complejas se presenta de un modosistemtico y generalizado. La exhaustividad con que se des-arrolla este tema, servir para fijar conceptos e introducir unametodologa de trabajo extrapolable a otras operaciones deseparacin.

Prlogo

9NDICE

La obra incluye una serie de problemas o ejercicios propues-tos al final de cada captulo y pretende completarse con unasegunda parte donde se abordarn otras operaciones unitarias,como la extraccin lquido-lquido, la absorcin y los proce-sos de interaccin aire-agua y secado, as como el contactocontinuo entre fases. Es igualmente intencin de los autores laedicin de un libro de prcticas de laboratorio en relacin conestas operaciones unitarias, as como de una coleccin de pro-blemas resueltos, utilizando bsicamente la hoja de clculoEXCEL.

Desde el punto de vista de los autores se trata, ms que de unlibro de texto, de unas notas de clase, continuamente en fasede elaboracin, con una edicin algo ms cuidada de lo habi-tual hasta ahora. Se trata de una obra totalmente susceptible demodificaciones y actualizaciones sucesivas de planteamien-tos, presentacin, nomenclatura, sistemtica, metodologa, ...,incluso de temas, de modo que contribuyan progresivamentea mejorar el inters y entendimiento de la materia por parte delos alumnos, y que surge con esta vocacin de actualizacincontinuada, intentando aprovechar las facilidades que los nue-vos mtodos de edicin con ayuda del ordenador ponen anuestro alcance.


10NDICE

Tema 1. Operaciones unitarias.conceptos generales

Objetivos

El alumno deber familiarizarse con los principiosgenerales de las operaciones unitarias controladas porla transferencia de materia y/o por la transmisin decalor. Asimismo deber llegar a conocer los criterios que per-miten establecer otras clasificaciones.

1. Introduccin

Sera prcticamente imposible estudiar el nmero casi infini-to de procesos qumicos que se llevan a cabo en la industriadiariamente, si no hubiera un punto en comn a todos ellos.Afortunadamente, esta conexin existe. Cualquier procesoque se pueda disear consta de una serie de operaciones fsi-cas y qumicas que, en algunos casos son especficas del pro-ceso considerado, pero en otros, son operaciones comunes e

Tema 1Operaciones unitarias. Conceptos generales

11NDICE

iguales para varios procesos. Generalmente un proceso puededescomponerse en la siguiente secuencia:

Cada una de estas operaciones es una operacin unitaria. Esteconcepto fue introducido en 1915 por el profesor Little, delMassachussets Institute of Technology (M.I.T.). La definicindada entonces, fue la siguiente: ... todo proceso qumico con-ducido en cualquier escala puede descomponerse en una serieordenada de lo que pudieran llamarse operaciones unitarias,como pulverizacin, secado, cristalizacin, filtracin, evapora-cin, destilacin, etc. El nmero de estas operaciones bsicasno es muy grande, y generalmente slo unas cuantas de entreellas intervienen en un proceso determinado.

Con esta simplificacin se ha reducido la complejidad delestudio de los procesos industriales, pues del conjunto detodos los procesos qumicos que pueden imaginarse bastarcon estudiar el grupo de las 25 30 operaciones unitarias exis-tentes. Un proceso determinado ser, por tanto, la combina-cin de operaciones unitarias.


12NDICE

2. Clasificacin de las operaciones unitarias

Cada operacin unitaria tiene como objetivo el modificar lascondiciones de una determinada cantidad de materia en formams til a nuestros fines. Este cambio puede hacerse princi-palmente por tres caminos:

Modificando su masa o composicin (separacin de fases,mezcla,...)

Modificando el nivel o calidad de la energa que posee(enfriamiento, vaporizacin, aumento de presin, ...)

Modificando sus condiciones de movimiento (aumentandoo disminuyendo su velocidad o su direccin).

Estos tres son los nicos cambios posibles que un cuerpopuede sufrir. De acuerdo con estas ideas, normalmente se cla-sifican las operaciones unitarias en funcin de la propiedad -materia, energa o cantidad de movimiento que se transfiereen la operacin o la que sea ms relevante. Debe notarse queen cualquier operacin, por lo comn se transferir simult-neamente materia, energa y cantidad de movimiento pues lasdos ltimas propiedades estn asociadas a la materia, por elhecho de existir. No obstante, la operacin no vendr contro-lada necesariamente por las tres transferencias, sino slo por


13NDICE

una o, a lo sumo, por dos. De acuerdo con el criterio de cules la transferencia ms relevante, las operaciones unitarias seclasifican en:

operaciones de transferencia de materia

operaciones de transmisin de energa

operaciones de transmisin simultnea de materia y energa

operaciones de transporte de cantidad de movimiento

3. Equilibrio y fuerzas impulsoras

Un aspecto comn a todas las operaciones unitarias es el con-cepto de fuerza impulsora, causante de que una transferenciade propiedad se produzca o cese. Cuando la fuerza impulsoraes nula, el sistema se encuentra en un estado tal que no puedeexperimentar ningn cambio de forma espontnea. Se diceque el sistema est en equilibrio. Las diferencias entre la con-dicin real del sistema y la de equilibrio determinan las fuer-zas impulsoras de los distintos fenmenos de transporte, quetranscurren con velocidades proporcionales a las mismas, einversamente proporcionales a las resistencias que opone elsistema.


14NDICE

Refirindonos, por ejemplo, a la transferencia de materia, si elsistema es monofsico, la condicin de equilibrio ser la uni-formidad de concentraciones de todos los componentes; exis-tiendo una fuerza impulsora que propicia la transferenciamientras exista un gradiente de concentracin en el seno de lafase (se transferir materia desde la regin donde el compo-nente est en mayor concentracin a aquella en que se encuen-tra en concentracin menor). Sin embargo, en un sistema bif-sico, como por ejemplo el integrado por una solucin acuosade yodo y cloroformo, el yodo se transfiere desde la capaacuosa a la clorofrmica, no terminando la transferencia conla uniformizacin de la concentracin de yodo en todo el sis-tema, sino que prosigue hasta alcanzarse un estado de equili-brio en el que la concentracin de yodo en el cloroformo esunas 50 veces superior a su concentracin en la capa acuosa,a la temperatura ordinaria, siendo tales concentraciones uni-formes en cada una de las fases. Por tanto, en los sistemaspolifsicos, las condiciones de equilibrio no son inmediatas,siendo la Termodinmica quien proporciona los medios para


15NDICE

establecer estas condiciones as como las ecuaciones parapoder predecirlas.

En esta asignatura estudiaremos las operaciones unitarias deseparacin basadas en la transferencia de materia, transferen-cia de energa y ambas simultneamente. En primer lugar,

se har una breve introduccin de cada una de las operacionesque se van a estudiar, as como de los equipos ms utilizadosen la industria donde se llevan a cabo estas operaciones y delos parmetros que se deben tener en cuenta a la hora de dise-arlos. A continuacin, dada la importancia del conocimientodel equilibrio en el estudio de las operaciones de transferenciade una propiedad, se dedica un tema al estudio de las condi-ciones de equilibrio y de las ecuaciones que los predicen. Lamayor parte del temario, estar formado por el estudio riguro-so y sistemtico de cada una de las operaciones de separacinseleccionadas.

4. Operaciones unitarias controladas por la transferencia de materia

Como se ha comentado en el caso del yodo y del cloroformo,cuando se ponen en contacto dos fases que no estn en equili-brio desde el punto de vista de un determinado componente,


16NDICE

ste se transfiere de una fase a otra, tendiendo al equilibrio.Aprovechando esta difusin entre fases se pueden disear dis-tintos tipos de aparatos que pongan en ntimo contacto dosfases distintas, con el objetivo general de conseguir la separa-cin de uno de los componentes de una fase, mediante laaccin de la otra.

4.1. Destilacin. RectificacinLa destilacin es una operacin unitaria que consiste en sepa-rar dos o ms componentes de una mezcla lquida (en la quetodos los componentes son ms o menos voltiles) aprove-chando la diferencia de volatilidades de los componentes queforman la mezcla. Se consigue seleccionando la temperatura ypresin de tal manera, que la fase lquida y vapor que se for-man tengan concentraciones relativas diferentes. Cuantomayor sea la diferencia de volatilidades entre los componen-tes de la mezcla, mayor ser la diferencia entre la composicindel lquido y del vapor que se generan. As, la mezcla lquidaa su punto de ebullicin desprender vapores ms ricos encomponentes voltiles. Los vapores se condensarn aparteconstituyendo el destilado.

La destilacin puede llevarse a cabo de muchos modos distin-tos. Hay dos tipos bsicos de operacin: destilacin sin reflu-


17NDICE

jo o destilacin simple y destilacin con reflujo o rectifica-cin. La destilacin simple es la operacin de hervir el lqui-do de un recipiente -la caldera- condensndose aparte losvalores que constituirn el destilado, quedando en la calderael residuo (Figura 1a). Realmente no es una operacin detransferencia de materia, pues el lquido y el vapor que segenera estn en equilibrio. Se describe mejor como operacinde transferencia de calor. La destilacin con reflujo o rectifi-cacin se lleva a cabo en una columna, donde el vapor queabandona la cabeza de la columna se condensa, y una fraccindel lquido condensado se devuelve a la columna, lo que cons-tituye el reflujo; el resto se retira como producto destilado(Figura 1b). En el interior de la columna se ponen en contac-to el vapor ascendente con el lquido descendente. En un niveldado de la columna estas dos corrientes se ponen en contactoentre s, por lo que hay una transferencia de materia: pasan loscomponentes ms voltiles del lquido al vapor, y los compo-nentes menos voltiles del vapor al lquido, con lo que elvapor se enriquece en componentes voltiles a medida queasciende por la columna.

Los distintos tipos de destilacin se suelen llevar a cabo encolumnas de destilacin. Para asegurar un adecuado contactoentre el vapor y el lquido esencial en la transferencia de


18NDICE

materia se han diseado varios dispositivos de laboratorio oindustriales, basados principalmente en dos criterios distintos:las columnas de contacto continuo entre el vapor y el lquido,o columnas de relleno, y las columnas de contacto por etapas,o columnas de platos o pisos.

Las columnas de relleno estn llenas de elementos slidospequeos, inertes a las fases circulantes, distribuidos al azar uordenadamente. La corriente de lquido se dispersa resbalan-do por su superficie, ponindose en contacto ntimo con elvapor que circula en sentido contrario. En una seccin deter-minada de la columna el lquido descendente y el vapor ascen-dente no estarn en equilibrio, por lo que se transferirn los


19NDICE

Figura 1. a) Destilacin simple; b) Rectificacin.

componentes menos voltiles y ms voltiles, en sentidosopuestos. Pero como el tiempo de contacto en cada seccin decolumna es muy corto, no se llega al equilibrio en ningn punto.La fuerza impulsora acta a lo largo de toda la columna.

Las columnas de platos poseen unas superficies planas (pisos)en el interior que dividen la columna en una serie de etapas.Tienen por objeto retener una cierta cantidad de lquido en susuperficie, a travs de la cual se hace burbujear el vapor queasciende de la caldera, consiguindose as un buen contactoentre el vapor y el lquido. El lquido de un plato cae al platosiguiente por un rebosadero situado en el extremo del piso. Elvapor que llega a un plato por debajo, y el lquido que le llegapor encima, no estn en equilibrio. En el plato tiene lugar lamezcla de ambas corrientes, producindose all la transferen-cia de materia. La fuerza impulsora es la diferencia de com-posiciones entre las corrientes que llegan al plato y las corres-pondientes de equilibrio. En los platos de las columnas nor-malmente no se llega a alcanzar el equilibrio entre el lquidoy el vapor que abandonan el plato. Un plato ideal o tericosera aqul en el que este equilibrio s se alcanzara. Sobreestos equipos se hablar ms ampliamente en el siguientetema.


20NDICE

A nivel industrial la destilacin es una operacin con innume-rables aplicaciones, especialmente en la separacin de com-ponentes del petrleo, recuperacin de disolventes, fabrica-cin de licores, ... .

4.2. Absorcin. Desabsorcin.

La absorcin es una operacin unitaria de transferencia demateria que consiste en poner un gas en contacto con un lqui-do para que ste disuelva determinados componentes del gas,que queda libre de los mismos. La absorcin puede ser fsicao qumica, segn que el gas se disuelva en el lquido absor-bente o reaccione con l dando un nuevo compuesto qumico.

La desabsorcin es la operacin unitaria contraria a la absor-cin. En ella un gas disuelto en un lquido es arrastrado por ungas inerte siendo eliminado del lquido.

Para la absorcin, pueden utilizarse los mismos tipos de apa-ratos descritos en la destilacin, pues las fases en contactosern tambin un lquido y un gas. Se usan normalmentecolumnas de platos contacto discontinuo o por etapas o derelleno contacto continuo. Ambas utilizan la fuerza gravita-toria para la circulacin del lquido. Algunos dispositivosemplean medios mecnicos para facilitar el contacto entre las


21NDICE

fases. Las torres de pulverizacin son columnas vacas en lasque el lquido entra a presin por un sistema de ducha, circu-lando el gas en sentido contrario. Todos estos equipos propi-cian la puesta en contacto de un gas y un lquido que no estnen equilibrio, realizndose una transferencia de materia entreambos. La fuerza impulsora actuante es la diferencia entre lapresin parcial en el gas del componente que se transfiere y lapresin parcial que tendra el componente en un gas que estu-viera en equilibrio con el lquido del punto considerado. 0bien, observando el fenmeno en la fase lquida, la fuerzaimpulsora es la diferencia entre la concentracin del soluto enel lquido y la concentracin que estara en equilibrio con elgas del punto considerado.

Como aplicaciones de la absorcin pueden citarse la elimina-cin de gases cidos (H2S, CO2, SO2) de los gases de chime-nea mediante distintas corrientes (agua a presin, solucin deNaOH, o soluciones de etanolaminas), la separacin de hidro-carburos aromticos (benceno, tolueno y xileno) de los gasesde coquera mediante aceites minerales, el secado del cloromediante la absorcin del agua con cido sufrico concentra-do, ... . La Figura 2 presenta un sistema tpico deabsorcin-desabsorcin: un gas con H2S se trata con monoeta-nolamina (M.E.A.) fra, con la que el H2S reacciona dando el


22NDICE

bisulfuro de amina (absorcin con reaccin qumica). La reac-cin es reversible, por lo que en una columna de desabsorcinanexa, el vapor de agua hace que la reaccin vaya en sentidocontrario, desabsorbindose el H2S. La monoetanolaminacaliente se recircula a la columna de absorcin, enfrindose lacorriente de amina con la corriente del sulfuro de amina en elintercambiador de calor central.


23NDICE

Figura 2. Sistema de eliminacin de H2S de un gas por absorcin conreaccin qumica con solucin de monoetanolamina (M.E.A.) y posteriordesabsorcin con vapor.

4.3. Extraccin

La extraccin es una operacin unitaria de transferencia demateria basada en la disolucin de uno o varios de los com-ponentes de una mezcla (lquida o que formen parte de unslido) en un disolvente selectivo. Aprovecha, por tanto, ladiferencia de solubilidades de los componentes de la mezclaen el disolvente aadido. Se hace la distincin entre la extrac-cin lquido-lquido y la extraccin slido-lquido (llamadatambin lixiviacin) segn que la materia a extraer est en unlquido o en un slido respectivamente. El nmero mnimo decomponentes presentes en la extraccin es tres. Un problemaimportante lo constituye la seleccin del disolvente extractor.Para realizar una extraccin lquido-lquido el disolvente ele-gido debe ser parcial o totalmente inmiscible con la fase lqui-da que contiene el soluto.

La extraccin lquido-lquido puede presentar ventajas sobreefectuar una separacin por destilacin: las instalaciones sonms sencillas, hay la posibilidad de separar componentes sen-sibles al calor sin necesidad de realizar una destilacin a vacoy la selectividad del disolvente para componentes de naturale-za qumica similar permite separaciones de grupos de compo-nentes imposibles de lograr basndose slo en el punto deebullicin.


24NDICE

Las formas en que se lleva a cabo la extraccin lquido-lqui-do son muy variadas. Normalmente se trabaja en continuo y,como en destilacin y absorcin, cabe distinguir dos modosbsicos de contacto: contacto continuo y contacto por etapas.Cuando el proceso de extraccin se reduce a una nica etapa,se realizan dos operaciones sucesivas: la mezcla del disolven-te con el alimento y la posterior separacin por decantacin delos dos lquidos inmiscibles. Cuando el proceso de extraccinconsiste en varias etapas, stas puede realizarse de dos manerasdistintas segn la forma como el disolvente extractor se mezclecon el alimento: a) contacto simple si el disolvente extractor seaade a cada etapa mientras que la corriente de alimentacin(cada vez ms pobre en el componente que es extrado) pasa deetapa a etapa; b) contacto en contracorriente si el disolventeextractor pasa de etapa a etapa en sentido contrario al lquidoque se est refinando.

El contacto continuo en extraccin lquido-lquido es anlogoa la operacin de absorcin, salvo que ahora son 2 lquidos losfluidos que estn en contacto.

En la extraccin slido-lquido se acostumbra a trabajar porcargas o en semicontinuo por la dificultad de manipulacindel slido que hay que someter a extraccin. Uno de losextractores slido-lquido ms usados a escala de laboratorio


25NDICE

es el extractor Soxhlet (Figura 3). El disolvente extractor hier-ve en la caldera y, despus de condensarse con agua fra, caesobre el recipiente que contiene el slido con el soluto aextraer. Se realiza la extraccin y, a travs de un sifn, sale delrecipiente el disolvente con el soluto extrado. La mezcla sedevuelve a la caldera, donde se va concentrando el soluto amedida que se repite el ciclo.

Los aparatos en los que se lleva a cabo la extraccin lqui-do-lquido debern poner en adecuado contacto las fasesinmiscibles. Pueden emplearse columnas en contracorriente, ymejor si son pulsantes (dotadas de un pulso peridico que pro-duce un movimiento de agitacin peridico a lo largo de lacolumna), pueden ser verticales u horizontales con placas per-foradas. Se emplean tambin, para el contacto por etapas, tan-ques agitados combinados con decantadores colocados a con-tinuacin de los mismos. Los equipos ms utilizados para laextraccin lquido-lquido sern comentados ms ampliamen-te en el siguiente tema.

La extraccin lquido-lquido se usa mucho a escala industrial,especialmente en la industria del petrleo. As, por ejemplo, laseparacin de los asfaltos del petrleo se realiza mediante unproceso de extraccin con propano a baja temperatura. Comoejemplos de extraccin slido-lquido pueden citarse la


26NDICE

extraccin de aceites y grasas animales y vegetales mediantedisolventes idneos, la obtencin de soluciones de taninospara curtidos, el aislamiento del nitrato sdico del caliche chi-leno, etc, ... .

La extraccin supercrtica es un proceso que ha adquiridogran importancia por sus mltiples aplicaciones, como el des-cafeinado de caf (con CO2). Bsicamente se trata de unaextraccin lquido-lquido o slido-lquido pero realizada conun disolvente que en condiciones normales es un gas, por loque hay que licuarlo, con la complejidad de la instalacin queello conlleva.

4.4. Adsorcin. Desorcin

La adsorcin consiste en la eliminacin de algunos compo-nentes de una fase fluida mediante un slido que lo retiene. Esun fenmeno de superficie: las molculas, tomos o ionesadsorbidos estn confinados en la superficie de los poros delslido, unidos por fuerzas de Van der Waals, o por verdaderosenlaces qumicos. En este ltimo caso se habla de quimisor-cin. Solamente los slidos que posean una superficie espec-fica elevada sern adsorbentes de inters: carbn activo, gel deslice, almina activada, zeolitas, etc. Como ejemplo se puede


27NDICE

indicar que en un solo gramo de ciertos carbones activos sedispone de una superficie de adsorcin de ms de 2500 m2.

La operacin contraria a la adsorcin se llama desorcin. Estaoperacin se realiza comnmente para la regeneracin dellecho slido saturado de soluto, y para la recuperacin delsoluto adsorbido, si ste es econmicamente rentable.


28NDICE

Figura 3. Extractor Soxhlet.

El slido adsorbente rellena normalmente el interior de unacolumna formando un lecho fijo. A medida que se hace circu-lar el gas o el lquido que contiene el soluto a adsorber se vasaturando el slido adsorbente, por lo que al cabo de un tiem-po debe ser regenerado. La operacin se realiza en formasemicontinua colocando dos lechos adsorbentes en paralelo:en un momento dado uno de ellos est en operacin y el otrose est regenerando por la circulacin a su travs de vapor deagua, aire o un gas inerte. De esta forma el gas a depurar cir-cula en continuo, mientras la operacin de cada lecho es dis-continua

Un ejemplo peculiar de la operacin de adsorcin en lechofijo, aunque en otro contexto, es la cromatografa. Est basa-da en la distinta adsorcin de los componentes de una mezclasobre un slido adsorbente o un lquido soportado por un sli-do. Los componentes de la mezcla a separar quedarn reteni-dos con mayor o menor facilidad, y la adicin de un eluyentepermite recuperar por separado los distintos componentes dela mezcla.

La adsorcin se aplica industrialmente en muchos casos: parasecar corrientes de gas por adsorcin de su humedad sobrelecho de gel de slice, para eliminar olores de una corrientepor adsorcin sobre el carbn activo, para decolorar lquidos


29NDICE

recuperar disolventes del aire ambiente evitando la contami-nacin por vapores orgnicos, ...

4.5. Intercambio inico

El intercambio inico es una operacin unitaria que consisteen la sustitucin de uno o varios iones de una disolucin porotros que forman inicialmente parte de la estructura de unslido (resina de intercambio inico). Los poros de una resinacontienen iones positivos y negativos formando una sal. Enestado seco los iones mantienen su posicin media en laestructura, pero cuando se sumergen en un lquido polar, unoo varios iones quedan libres para desplazarse hacia el seno dellquido mientras otros iones de carga equivalente pasan dellquido al slido, de modo que la resina permanece elctrica-mente neutra. Cuando la resina contiene iones negativos fijosy slo puede intercambiar cationes se llama resina catinicaEn caso contrario se llama resina aninica

La velocidad a la que se lleva a cabo el intercambio inicoviene controlada por la difusin de los iones.

Esta operacin se aplica sobre todo en procesos de acondicio-namiento de agua a nivel industrial. El ablandamiento de aguaes la eliminacin de los cationes divalentes Ca2+ y Mg2+ del


30NDICE

agua, con lo que disminuye su dureza. Se realiza el intercam-bio en una columna catinica, donde se sustituyen los ionesindicados por Na+ que no forma sales insolubles, y se evitanas las incrustaciones. Las resinas, con el paso de agua dura,se agotan y deben regenerarse con la operacin inversa, estoes, haciendo circular a su travs una disolucin concentradade NaCl. La desmineralizacin o desionizacin del agua es laeliminacin (por intercambio) de los cationes y aniones quecontenga. Ello se lleva a cabo normalmente con dos columnasconsecutivas, una catinica y otra aninica. En la primera sesustituyen los cationes por H+ y en la segunda los aniones porOH-. El agua queda, en principio, neutra desde el punto devista cido-base. Las resinas se regeneran, respectivamentecon HCl y NaOH.

5. Operaciones unitarias controladas por transmisin de calor

Estas operaciones son slo una parte de aqullas controladaspor la transferencia de energa, ya que un sistema y sus alre-dedores pueden intercambiar energa en forma de calor o enforma de trabajo. Las operaciones unitarias en las que la velo-cidad de transmisin de calor desempea el papel controlanteson la evaporacin y la condensacin.


31NDICE

5.1. Evaporacin. Condensacin

La evaporacin es una operacin unitaria consistente en laseparacin de una mezcla lquida, generando a partir de lamisma, por ebullicin, un vapor integrado por los componen-tes ms voltiles de aqulla. Se utiliza para concentrar disolu-ciones obtenindose vapor del disolvente. Es una operacinmuy empleada en diversas industrias, bien sea para aprove-char la disolucin concentrada (por ejemplo la concentracinde la leche), o para aprovechar el vapor del disolvente (porejemplo la obtencin de agua desalinizada por ebullicin delagua del mar y posterior condensacin del vapor de agua).Normalmente se disponen varios evaporadores combinados,en los que se emplea el vapor generado en un evaporadorcomo medio de calefaccin del siguiente (se denominan eva-poradores de mltiple efecto). En la Figura 4 se muestra unesquema del proceso.

Conceptualmente, la evaporacin es anloga a la destilacinsimple. Se diferencian en que en la evaporacin, el alimentocontiene un soluto cuyo punto de ebullicin est muy porencima del punto de ebullicin del disolvente, con lo que losvapores obtenidos en la operacin son de disolvente puro.


32NDICE

La condensacin es la operacin inversa a la evaporacin, porla que un vapor pasa a estado lquido al intercambiar calor conun lquido fro. No se puede considerar una operacin de sepa-racin aunque tiene gran inters en la industria.

6. Operaciones unitarias controladas por la transferencia simultanea de materia y calor

Existen operaciones en las que se da simultneamente unatransferencia de materia y una transmisin de calor, siendoambos procesos controlantes del proceso de la operacin. Haysimultneamente dos fuerzas impulsoras separadas, que pue-den ir en el mismo sentido o en sentidos opuestos.


33NDICE

Figura 4. a) Representacin esquemtica de un evaporador; b)Evaporador de triple efecto en contracorriente.

6.1. Humidificacin. DeshumidificacinCuando una corriente de aire se pone en contacto con unacorriente de agua, se transfiere agua y energa calorfica deuna corriente a otra modificndose las condiciones de hume-dad y temperatura.

La humidificacin de aire se consigue al poner en contacto elaire no saturado con agua, a una temperatura tal que el aireaumenta su contenido de humedad. El agua se enfra al tenerque ceder calor para evaporar la porcin de lquido que se incor-pora al aire como vapor de agua. Este enfriamiento del agua esquiz la faceta industrialmente ms importante de esta opera-cin unitaria: el agua caliente procedente de la refrigeracin delas unidades de una planta puede enfriarse si se pone en con-tacto con un gas (preferiblemente ms fro) no saturado. El cau-dal de la corriente de agua se reduce en una cierta cantidad porla evaporacin de una parte de la misma.

Los dispositivos ms empleados para el enfriamiento de lqui-dos y ms concretamente de agua son las denominadas torresde enfriamiento. Son columnas de relleno de madera o dematerial plstico por las que asciende el aire, provistas en suparte superior de distribuidores de agua. En la Figura 5 semuestra un esquema de una torre de enfriamiento.


34NDICE

La deshumidificacin del aire se conseguir siempre que seponga en contacto aire hmedo con un lquido ms fro, demodo que la temperatura del gas disminuya por debajo delpunto de roco y condense agua, disminuyendo la humedadabsoluta del aire hasta el valor deseado.

6.2. Cristalizacin

La cristalizacin es la formacin de partculas slidas cristali-nas en el seno de una fase homognea. El proceso de forma-cin de cristales consta de dos etapas: la nucleacin y el creci-miento. La nucleacin es la formacin, a partir de los iones omolculas de soluto, de ncleos cristalinos de tamao sufi-ciente para mantenerse sin solubilizarse en la solucin. El cre-cimiento es el proceso de aumento de tamao de un ncleocristalino, por adicin de nuevos iones o molculas.

Las fuerzas impulsoras en esta operacin, en ambas etapas(nucleacin y crecimiento) son las mismas: la sobresatura-cin, es decir, la diferencia entre la concentracin de soluto enla solucin y la concentracin que tendra la solucin satura-da en el equilibrio, y la posible diferencia de temperatura entreel cristal y el lquido, originada en el cambio de fase.


35NDICE

Los tipos ms frecuentes de cristalizadores son: cristalizado-res de tanque, en los que la sobresaturacin se produce porenfriamiento sin evaporacin apreciable, (se emplean cuandola solubilidad vara mucho con la temperatura); cristalizado-res-evaporadores, en los que la sobresaturacin se produce porevaporacin (concentracin) sin enfriamiento apreciable (sontiles cuando la solubilidad no vara con la temperatura); cris-talizadores de vaco, en donde se combina la evaporacin y elenfriamiento adiabtico (se utilizan cuando se quiere operarcon rapidez, como en los cristalizadores-evaporadores, pero abaja temperatura).


36NDICE

Figura 5. Esquema de una torre de refrigeracin.

6.3. Secado

El secado es una operacin unitaria mediante la cual se elimi-na humedad de una sustancia. La fase previa a todo secado esla eliminacin mecnica de agua mediante filtros-prensa ocentrfugas, reducindose despus por va trmica la humedadque quede. Esta ltima fase es propiamente la operacin desecado. En ella se somete el producto hmedo a la accin deuna corriente de aire caliente y seco, evaporndose el lquidocon el consiguiente aumento de la humedad del aire. El puntofinal o lmite de la desecacin estar en la eliminacin dellquido (normalmente agua) del material, hasta que la hume-dad de dicho material est en equilibrio con el aire que lerodea; es decir, hasta que la presin de vapor de la humedaddel slido iguale a la presin parcial de la corriente gaseosa.

Al secar un slido en el seno de una masa de aire tiene lugarsimultneamente transferencia de materia y transmisin decalor. El agua contenida en el slido se desplaza hacia la inter-fase y posteriormente al seno del gas. El gradiente de tempe-ratura entre el aire y el slido provoca la transmisin de calor.Los fenmenos que suceden son:


37NDICE

1. Transferencia de materia a travs del slido. Se produce porcapilaridad (altos niveles de humedad) y difusin (bajos nive-les de humedad).

2. Transferencia de vapor de agua desde la interfase slido-gasal seno del gas. Se produce por transporte turbulento.

3. Transferencia de calor desde el seno del gas a la interfase.Se produce por conduccin, conveccin o radiacin.

4. Transferencia de calor desde la interfase al seno del slido.Slo puede tener lugar por conduccin.

Casi todos los aparatos utilizados para llevar a cabo esta ope-racin estn basados en poner en contacto el slido hmedopulverizado con una corriente de aire caliente no saturado: seproduce simultneamente la transferencia de calor sensible yde agua debido a las dos fuerzas impulsoras (de calor y mate-ria) que aparecen. Este es el proceso por contacto directo.Existen tambin aparatos en los que el secado se produce sincontacto de la fuente de calor con el slido. Este es el proce-so por contacto indirecto (anlogo a una evaporacin).

Los secadores comerciales ms comunes son:


38NDICE

- Secaderos de bandejas en los que el slido se deposita encapas de poca profundidad y el aire caliente circula por lasuperficie o a travs del slido.

- Secaderos rotativos en los que el slido desciende a lo largode un cilindro rotatorio inclinado, secndose por accin delaire caliente que circula en contracorriente.

- Secaderos de evaporacin sbita o atomizadores. En estetipo de secadero la suspensin de slido, en forma de gotas, sepone en contacto brusco con aire caliente a elevada tempera-tura, en un dispositivo de cicln. El agua del slido se vapori-za bruscamente obtenindose un slido de elevada porosidad.

6.4. Liofilizacin

La liofilizacin o criodeshidratacin es una peculiar modali-dad de secado que consiste en la eliminacin del agua de unslido por sublimacin de la misma, es decir, el agua del sli-do previamente congelada se pasa directamente a vapor.

Las ventajas que presenta este procedimiento de secado en laindustria de la alimentacin, preparacin de frmacos y medi-cinas son:


39NDICE

La congelacin provoca la detencin de los fenmenos bio-qumicos.

El vaco o la presencia de inertes y las bajas temperaturasevitan la alteracin de las propiedades bioqumicas, fisiolgi-cas o teraputicas.

Se conservan gran cantidad de aromas y se mantiene elvolumen inicial del slido, originando con ello una gran poro-sidad y fcil solubilidad de los productos finales.

Un ejemplo de producto liofilizado muy comn es el cafsoluble. La liofilizacin se lleva a cabo normalmente a altovaco y a temperaturas por debajo del punto de fusin delagua. El calor de sublimacin es suministrado por conduccino radiacin con placas planas calientes situadas entre las ban-dejas que contienen el material a liofilizar. Esta operacin esnormalmente discontinua.

7. Resumen

En este tema slo se han tratado las operaciones ms comunesde transferencia de materia y energa, aunque existen otrasmuchas operaciones de separacin. En la Tabla 1 se presentaun resumen de las distintas operaciones de separacin as


40NDICE

como los parmetros en los que est basada y el estado fsicode los productos que intervienen.

Tabla 1. Resumen de los procesos de separacin.


41NDICE

Tabla 1 (Continuacin). Resumen de los procesos deseparacin


42NDICE

BibliografaCosta Lpez, J. y otros (1991). Curso de Qumica Tcnica.

Ed. Revert, Barcelona, 1991.

King, C.J. (1988). Separation Processes. 2 ed. Mc. GrawHill, Chemical Engineering Series, Nueva York, 1988.


43NDICE

Tema 2. Equipos para contacto entre fases

Objetivos

En este tema se pretende ampliar conocimientos sobrelos contactores entre fases ms comnmente utiliza-dos, centrndonos en equipos de contacto lquido-vapor y lquido-lquido. Se estudiarn, desde un punto de vistadescriptivo, los dispositivos ms importantes de estos equiposas como los parmetros de diseo ms destacables. Se harun especial anlisis de las columnas de relleno y columnas deplatos.

1. Introduccin

Al describir las distintas operaciones unitarias, ya se introdu-jeron algunas nociones sobre los aparatos ms utilizadosindustrialmente. Se esquematizaron algunos equipos y seintrodujeron algunos conceptos sobre las columnas de pisos ycolumnas de relleno. En este tema vamos a ampliar los cono-


44NDICE

cimientos sobre estos dispositivos dada su importancia a nivelindustrial, estudiando algunos de los parmetros de diseoque se deben tener en cuenta, problemas que pueden plantear,partes de que consta, ... . El estudio se centrar en equipos decontacto lquido-vapor y lquido-lquido.

2. Parmetros de diseo

Antes de intentar el diseo de un equipo, deben estar biendefinidas la presin de trabajo, la temperatura, velocidades deflujo, composicin del alimento, ... de manera que el proble-ma de diseo consiste en construir un dispositivo que lleve acabo la operacin que deseamos y sea econmico, seguro yfcil de operar.

Entre los parmetros de diseo ms importantes cabe desta-car: la capacidad del equipo, la cada de presin, costes, faci-lidad de operacin y eficacia de las etapas.

Capacidad. Los datos de equilibrio de un sistema estable-cen el nmero de etapas de contacto necesarias para produciruna determinada separacin. Aunque este nmero de etapas esindependiente del flujo de alimento, las dimensiones fsicasdel equipo (particularmente el dimetro) aumentar propor-cionalmente con el flujo que circule a su travs, siendo tales

Tema 2Equipos para contacto entre fases

45NDICE

dimensiones funcin de la hidrodinmica y del tiempo que seprecisa en cada etapa. Es importante que una columna estdiseada para operar con un intervalo de composiciones y flu-jos tan alto como sea posible. Los parmetros estructurales,tales como la relacin (altura/dimetro), deciden con frecuen-cia la posibilidad de realizacin prctica (un ingeniero tendramuchas dificultades para encontrar un contratista serio paraconstruir una columna de 40 m de longitud y medio metro dedimetro).

Cada de presin. Este parmetro es particularmenteimportante cuando es preciso operar en condiciones de altovaco (posibilidad de descomposiciones trmicas o de reac-ciones qumicas no deseadas).

Costes. Adems de los costes de los platos o relleno de lacolumna, hay que contabilizar los costes de la carcasa, bom-bas auxiliares, cambiadores de calor, caldera, condensador.Estos cuestan de tres a seis veces ms que aquellos. Tambinson de gran importancia los servicios (electricidad, vapor,agua de refrigeracin, ... ).

Facilidad de operacin. En todo proceso hay un nmeroimportante de potenciales problemas de operacin. En el casode la utilizacin de las columnas de relleno para poner en con-


46NDICE

tacto una fase lquida con una fase vapor, los problemas mscomunes que pueden presentarse son:

Inundacin. Esta condicin ocurre cuando las velocidades delvapor y /o el lquido son tan grandes que la cada de presindel gas es superior a la carga neta de gravedad del lquido, quede esta forma es arrastrado hacia arriba en la columna.

Canalizacin. La funcin del relleno es promover la turbulen-cia de los fluidos y la transferencia de materia mediante la dis-persin del lquido que fluye sobre la superficie del relleno ypor el interior del mismo Si el flujo del lquido y/o vapor esmuy bajo, o si la alimentacin lquida no se distribuye unifor-memente sobre el relleno, tender a descender por las paredesmientras que el vapor circula por la parte central. A velocida-des muy bajas puede no haber suficiente lquido para mojar lasuperficie del relleno.

La inundacin y la canalizacin restringen los intervalos delos flujos de lquido y vapor para la operacin de la columna,marcando el lmite mximo de operacin. Consideraciones detipo prctico (como fijar una eficacia mnima y una cada depresin mxima) limitan an ms el intervalo de trabajo.Aunque las columnas de platos pueden generalmente operardentro de intervalos ms amplios de los flujos de vapor y


47NDICE

lquido que las columnas de relleno, tienen tambin sus pro-pios problemas:

Formacin de espuma. Si se forma un nivel de espuma eleva-do, el lquido es arrastrado por el gas hasta la etapa siguientey las eficacias de separacin disminuyen. Por otra parte, laespuma puede tambin arrastrar vapor hacia la etapa inferior.En casos extremos, los tubos de bajada del lquido se puedenllenar totalmente de espuma y provocar inundacin de unaforma anloga a lo que ocurre en columnas de relleno. Porotra parte, las columnas de platos pueden inundarse an cuan-do no se forme espuma si las cadas de presin o las veloci-dades de flujo del lquido son suficientemente grandes paraque 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 ellquido del plato no es muy alto, si la separacin del lquido yel vapor que se han puesto en contacto es inadecuada, parte deesa espuma se mezcla con el lquido del plato superior, dismi-nuyendo as la eficacia. El arrastre se debe con frecuencia a untamao inadecuado de los tubos de descenso del lquido o delespaciado entre los platos.


48NDICE

Mala distribucin del lquido. Si los platos de la columna sonmuy grandes o estn mal diseados puede variar la altura dellquido a travs del plato dando lugar a un apreciable gradien-te hidrulico. Esto puede provocar un flujo no uniforme delgas. Las medidas habituales de prevencin consisten en utili-zar varios tubos descendentes o pasos y divisiones en los pla-tos, o bien dirigir el flujo de vapor de forma que fuerce ellquido a circular a travs del plato.

Goteo. Muchos platos slo cuentan con la presin del gas paramantener el lquido sobre el plato, de forma que en el puntode goteo, comienza a caer lquido a travs de los orificios delos platos. El caso extremo recibe el nombre de vaciamiento.

Eficacia. La eficacia de una columna de platos se mide enfuncin de la eficacia del plato, es decir, en funcin de la dife-rencia existente entre la composicin de las corrientes queabandonan una etapa con respecto a las composiciones de lasmismas en el caso de que estuviesen en equilibrio. La eficaciade una columna de relleno se mide en funcin de la eficaciadel relleno, que es inversamente proporcional a la altura equi-valente a un plato terico (HETP). Los valores de la eficaciade los platos y de la HEPT son funciones complejas demuchos factores: temperatura, presin, composicin , densi-dad, viscosidad, difusividad, velocidades de flujo del lquido


49NDICE

y vapor, tendencia a la formacin de espuma, turbulencia dellquido y del vapor, tamao de las burbujas,... .

3. Columnas de relleno

El diseo de una columna de relleno supone las siguientes eta-pas:

1. Seleccionar el tipo y el tamao del relleno.

2. Determinar el dimetro de la columna (capacidad) necesa-rio en funcin de los flujos de lquido y vapor.3. Determinar la altura de la columna que se necesita para lle-var a cabo la separacin especfica.

4. Seleccionar y disear los dispositivos interiores de lacolumna: distribuidor del lquido de alimentacin, redistribui-dores de lquido, platos de soporte y de inyeccin del gas yplatos de sujecin.Estas etapas se ampliarn en los siguientes apartados.

3.1. Tipos de relleno

Los principales requisitos que debe cumplir el relleno de unacolumna son:


50NDICE

a) Proporcionar una gran rea superficial: rea interfacial altaentre el gas y el lquido.

b) Tener una estructura abierta: baja resistencia al flujo de gas.c) Facilitar la distribucin uniforme del lquido sobre susuperficie.

d) Facilitar el paso uniforme del vapor a travs de toda la sec-cin de la columna.

Para satisfacer estos requerimientos se han desarrollado dis-tintos tipos de relleno. Se pueden dividir en dos grupos: relle-no ordenado (dispuesto de una forma regular dentro de lacolumna) y relleno al azar.Los primeros (rejas, mallas, rellenos ordenados ... ) tienen unaestructura abierta, y se usan para velocidades de gas elevadasdonde se necesita una prdida de presin baja (por ejemplo enlas torres de enfriamiento). La interfase vapor-lquido es esta-cionaria y depende fundamentalmente del mojado de la super-ficie y la capilaridad. Por tanto, es de esperar que haya buenaeficacia an para flujos de lquido bajos.Los rellenos al azar son ms comunes. Con este tipo de relle-no (al igual que en las columnas de platos), la interfase devapor-lquido se crea por combinacin de los efectos de pene-


51NDICE

tracin de superficie, burbujeo y formacin de niebla. En laFigura 1 se muestran los principales tipos de rellenos comer-ciales.

Cada uno de estos tipos tiene sus caractersticas de diseo-tamao, densidad, rea superficial, factor de relleno (cons-tante determinada experimentalmente, relacionada con elcociente entre el rea del relleno y el cubo de la fraccin huecadel lecho, que se utiliza para predecir la cada de presin y lainundacin del lecho en funcin de las velocidades de flujo yde las propiedades de los fluidos),... Estas propiedades se pue-den encontrar tabuladas en distintos manuales. Por ejemplo laTabla 1 muestra estos datos para una serie de rellenos.


52NDICE

Figura 1. Diversos tipos de rellenos comerciales comunes.

Los anillos Raschig son el tipo de relleno ms antiguo (datade 1915) y todava estn en uso. Los anillos Pall son esencial-mente anillos Raschig en los que se ha aumentado la superfi-cie de contacto, con lo que se mejora la distribucin del lqui-do. Las sillas Berl fueron desarrolladas para mejorar la distri-bucin del lquido comparada con los anillos Raschig. Lassillas Intalox pueden considerarse como una mejora de lasBerl, 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 yplstico son ms eficaces que los de cermica puesto que susparedes pueden ser ms finas.

La eleccin del material depender de la naturaleza del fluidoy la temperatura de operacin: el empaquetado cermico estil para lquidos corrosivos pero no para disoluciones fuerte-mente alcalinas. El plstico es atacado por algunos disolven-tes orgnicos y slo debe usarse cuando no se sobrepasan tem-peraturas moderadas (por ejemplo no son tiles en columnas derectificacin). Tanto el relleno metlico como especialmente elcermico se pueden romper fcilmente.

En general, el mayor tamao de relleno aceptable en unacolumna es de 50 mm. Los tamaos ms pequeos son ms


53NDICE

caros que los mayores, pero por encima de 50 mm la eficaciaen la transferencia de materia disminuye considerablemente.El uso de partculas de relleno demasiado grandes puede cau-sar una distribucin pobre del lquido.

3.2. Dimetro de la columna

La capacidad de una columna de relleno viene determinadapor su seccin transversal. Normalmente, la columna se dise-


54NDICE

Tabla 1. Datos de diseo para diferentes rellenos

ar para operar con la prdida de carga que resulte ms eco-nmica y que asegure una buena distribucin del lquido y delgas. Para columnas con relleno al azar, la prdida de carganormalmente no excede los 80 mm H2O por m de altura derelleno. En estas condiciones, la velocidad del gas ser de,aproximadamente, un 80 % la velocidad de inundacin. Losvalores recomendados en absorbedores son de 15 a 50 mmH2O/m de altura de relleno y en destilacin a presiones mode-radas de 40 a 80 mm H2O/m de altura de relleno. Para desti-laciones a vaco, la mxima prdida de carga se determinaren funcin de los requerimientos del proceso, aunque para unadistribucin satisfactoria del lquido la prdida de carga nodebiera ser menor de 8 mm H2O/m.

La seccin de la columna y su dimetro para una prdida decarga seleccionada puede determinarse a partir de la grficapresentada en la Figura 2, donde se correlaciona la relacinentre las velocidades de flujo del lquido y el vapor, las pro-piedades fsicas del sistema y las caractersticas del empaque-tado con el flujo msico de gas por unidad de rea para dis-tintos valores de la prdida de carga.


55NDICE

El trmino K4 en la Figura 2 es la funcin:


56NDICE

Figura 2. Correlacin generalizada de la prdida de carga.

donde V*W = flujo msico del gas por unidad de rea (kg/m2s)Fp = factor de relleno, propio del relleno selec-

cionado

L = viscosidad del lquido, Ns/m2

L, v = densidades del lquido y el vapor, kg/m3

Los valores del factor de flujo FLV dados en la Figura 2 cubrenel intervalo habitual de trabajo.Una vez que se conoce el valor de V*w es fcil conocer el reade la columna que se necesita para cada flujo de gas: conoci-do por la separacin deseada la relacin V*/L* (kg de gas/kgde lquido), se puede calcular la abscisa y si se fija la perdidade presin aceptable se puede calcular K4, de ella V* y portanto la seccin.

3.3. Altura del lecho empaquetado

Para disear una columna de rectificacin de relleno, el trata-miento ms simple es considerar que se trata de una columnade pisos y utilizar el concepto de altura equivalente de unplato terico (HETP). La HETP es la altura de relleno queproduce la misma separacin que una etapa de equilibrio. En


57NDICE

destilacin, este valor es esencialmente constante para un tipoy tamao de relleno e independiente de las propiedades fsicasdel sistema. Por ejemplo, se pueden utilizar los siguientesvalores de HETP para calcular la altura del lecho cuando elrelleno es de anillos Pall: 0.4-0.5 m si los anillos tienen untamao de 25 mm, 0.6-0.75 m si son de 38 mm y 0.75-1.0 sison de 50 mm.

Para el diseo de las columnas de absorcin de relleno se sue-len utilizar los conceptos de nmero de unidades de transfe-rencia y altura de una unidad de transferencia (HTU). Valorestpicos de HTU para empaquetamientos al azar son: 0.3-0.6 msi el relleno tiene un tamao de 25 mm, 0.5-0.75 m si el relle-no 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 deter-minar el nmero de pisos necesarios y su HETP o bien el nme-ro de unidades de transferencia y su HTU. Cmo realizar estosclculos sern temas de los que nos ocuparemos ms adelante.

3.4. Dispositivos interiores de torres de rellenoDistribuidor de lquido de alimentacin. El relleno, por ssolo, no conduce a una adecuada distribucin del lquido dealimentacin. Un distribuidor ideal tendra las siguientescaractersticas:


58NDICE

a) Distribucin uniforme del lquido. b) Resistencia a la oclusin y ensuciamiento. c) Elevada flexibilidad de operacin (mximo intervalo entrelos caudales mximo y mnimo con los que puede operar).d) Elevada rea libre para el flujo de gas. e) Adaptabilidad a la fabricacin con numerosos materiales deconstruccin.

f) Construccin modular para una mayor flexibilidad de insta-lacin.


59NDICE

Figura 3. Distribuidores de lquido de alimentacin. a) Tipo orificio. b)Tipo vertedero. c) Tipo vertedero-canal.

Los dos distribuidores ms ampliamente utilizados son los deorificios y los de tipo vertedero (Figura 3). En los de tipo ver-tedero se utilizan tubos verticales con vertederos en forma deV para la bajada del lquido, lo que permite un mayor flujo alaumentar la carga de altura. En los de tipo orificio, el lquidodesciende a travs de los orificios y el gas asciende por unostubos. Las conducciones del gas deben tener un rea tal que laprdida de carga al circular el gas sea pequea, los orificiosdeben ser lo suficientemente pequeos para asegurar que hayun nivel de lquido sobre el plato an a la menor velocidad delquido, pero lo suficientemente grandes para que el distribui-dor no se sature a la velocidad mayor. Los distribuidores detipo vertedero-canal son ms caros pero ms verstiles (Figura3). El lquido se distribuye proporcionalmente a travs de unao ms bandejas de particin y despus pasa a los canales convertederos.

Redistribuidores de lquido. Son necesarios para recoger ellquido que baja por las paredes, o que ha coalescido en algu-na zona de la columna, y redistribuirlo despus para establecerun modelo uniforme de irrigacin. Los criterios de diseo sonsimilares a los de un distribuidor del lquido de alimentacin.

En la Figura 4 se muestra un distribuidor tipo Rosette que vasoldado a la pared de la columna y un redistribuidor que efec-


60NDICE

ta una recoleccin total del lquido antes de su redistribu-cin. La altura mxima de lecho que puede existir sin redis-tribuidor de lquidos depende del tipo de relleno y del proce-so. As, la destilacin es menos susceptible a una mala distri-bucin que la absorcin. Como orientacin, se puede consi-derar que la mxima altura de lecho sin redistribuidor nodebe exceder de 3 veces el valor del dimetro de la columnacuando el relleno es de anillos Raschig, y de 8 a 10 veces siel relleno es de anillos Pall y sillas. En las columnas de di-metro grande, la altura del lecho estar limitada por el mxi-mo peso de relleno que pueda soportar el plato de soporte derelleno y las paredes de la columna (alrededor de 8 m).


61NDICE

Figura 4. Redistribuidores de lquido. a) Tipo Rosette. b) Tipo metlico.

Platos de soporte y de inyeccin del gas. Adems de sopor-tar el peso del relleno, los platos de soporte deben de estar dise-ados para permitir un flujo relativamente no restringido dellquido y del gas. Con los tipos de platos que se muestran en laFigura 5, el lquido desciende a travs de las aberturas hacia elfondo y el gas asciende a travs de la seccin superior.

Platos de sujecin (limitadores de lecho). Los platos desujecin se colocan en la parte superior del relleno para evitarel desplazamiento, la dispersin o la expansin del lecho acausa de elevadas cadas de presin u oleadas de lquido. LaFigura 6 muestra algunos diseos de platos de sujecin. Seusan principalmente con relleno de cermica, que puede rom-per fcilmente, y con relleno de plstico, que puede flotar y


62NDICE

Figura 5. Platos de soporte e inyectores de gas. a) Tipo rejilla. b) Tipotubo perforado.

salir del lecho. Con frecuencia se utilizan recubrimientos detela metlica situados sobre el relleno, juntamente con los pla-tos de sujecin para prevenir el arrastre de lquido a la salidadel vapor.

Platos de soporte para dispersin lquido-lquido. Aunquetodo el tratamiento anterior se ha hecho para columnas dondelas dos fases en contacto eran lquido y vapor, tambin lascolumnas de relleno pueden ser utilizadas para efectuar el pro-ceso de extraccin lquido-lquido. En la parte inferior de latorre, la funcin de los platos de soporte es la de actuar comosoporte y dispersor de la fase ligera. Tambin se colocan cada2 4 metros de lecho, actuando como soportes y redisperso-res para la fase ligera, que tiende a coalescer. Cuando se colo-can en la parte superior de la torre se pueden utilizar para dis-persar la fase pesada o bien hacer continua la fase ligera. En


63NDICE

Figura 6. Platos de sujecin.

general, la fase dispersa entra a travs de los orificios y lapesada pasa a travs de secciones disponibles para descender.

4. Columnas de platos para contacto vapor-lquidoEl equipo para separaciones en mltiple etapa consiste frecuen-temente en platos horizontales de contacto entre las fases dis-puestos en una columna vertical. El lquido fluye a travs delplato en flujo cruzado y el vapor asciende a travs del plato. Ellquido que fluye se transfiere de un plato a otro a travs de lostubos de descenso (downcomers). Los procedimientos dediseo para el dimensionado de columnas comienzan general-mente con una estimacin del dimetro de la torre y del espa-ciado entre los platos. Para este dimetro se calculan despus lacapacidad, la cada de presin y el intervalo de operacin deacuerdo con las especificaciones del proceso, y se determinandespus las dimensiones de los accesorios de los platos en fun-cin del tipo de plato seleccionado.

4.1. Tipos de platosLos tipos de platos ms comunes son: platos de vlvula, pla-tos perforados y platos de caperuzas de borboteo.

Platos de vlvula. Son platos con orificios de gran dimetrocubiertos por tapaderas mviles que se elevan cuando el flujo


64NDICE

de vapor aumenta. Como el rea para el paso del vapor varaen funcin de la velocidad del flujo, los platos de vlvula pue-den operar eficazmente a velocidades bajas de vapor (las vl-vulas se cierran). En la Figura 7 se muestran algunas vlvulastpicas. Los detalles que las diferencian residen en la cada depresin que originan, el tipo de contacto vapor-lquido quefacilitan, la calidad del cierre al paso del lquido que propor-cionan, ... .


65NDICE

Figura 7. Vlvulas representativas. a) Glitsch tipo A-1. b) Koch tipo A. c) Koch tipo T.

Platos perforados. Los platos perforados ms ampliamenteutilizados tienen placas con orificios, circulando el lquidocon flujo cruzado a travs del plato. Sin embargo, tambin seutilizan platos de lluvia con flujo en contracorriente y sintubos de descenso, en los que el lquido y el vapor fluyen a tra-vs de los mismos orificios. Existen diseos hbridos de pla-tos perforados y de vlvulas, combinando las ventajas de labaja cada de presin y bajo coste de los platos perforados conel amplio intervalo de operacin de los platos de vlvula.

Tanto en los platos perforados como en los de vlvula el con-tacto se produce entre el vapor que asciende a travs de losorificios 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 dedescenso alcanzando el plato en el punto A. Aunque no serepresenta el vertedero de entrada, ste se utiliza frecuente-mente para evitar el flujo ascendente de vapor a travs deltubo de bajada del lquido. En el intervalo comprendido entreA y B se representa lquido claro de altura hli, debido a quehabitualmente no hay orificios en esta parte del plato. DesdeB hasta C es la llamada parte activa, con una elevada aireaciny una altura de espuma hf. La altura de lquido hl en el man-metro de la derecha puede considerarse como la carga delquido claro sedimentado de densidad i. La espuma comien-


66NDICE

za a colapsar en C, ya que no hay perforaciones desde C hastaD. La altura de lquido a la salida es hlo y el gradiente hidru-lico es (hli - hlo) (que en este caso es prcticamente cero) (gra-diente hidrulico es la diferencia de nivel del lquido necesa-rio para que el lquido fluya a travs del plato).Los dimetros de los orificios estn generalmente comprendi-dos entre 0.3 y 1.3 cm, siendo preferidos los ms grandescuando existe la posibilidad de ensuciamiento. Un rea gran-de de orificios contribuye al goteo, mientras que un rea de


67NDICE

Figura 8. Plato perforado.

orificios pequea aumenta la estabilidad del plato pero incre-menta tambin la posibilidad de arrastre e inundacin, ascomo la cada de presin. Con frecuencia el tamao de los ori-ficios y su espaciado son diferentes en las distintas seccionesde la columna con el fin de acomodarse a las variaciones deflujo. Otra prctica frecuente es dejar sin construir algunosorificios con el fin de flexibilizar el posible aumento futuro dela carga de vapor.

Platos de caperuza de borboteo. Una caperuza de borboteoconsta de un tubo ascendente sujeto al plato mediante solda-dura, tornillos, etc., y una caperuza sujeta al tubo ascendenteo al plato. Aunque la mayor parte de las caperuzas tienenranuras (de 0.30 a 0.95 cm de ancho y 1.3 a 3.81 cm de lon-gitud), algunas no las presentan, saliendo el vapor de la cape-ruza por debajo del reborde inferior que est a una distanciainferior a 3.81 cm del plato. El tamao de las caperuzascomerciales est comprendido entre 2.54 y 15 cm de dime-tro. Generalmente estn dispuestas sobre el plato en los vrti-ces de tringulos equilteros formando filas orientadas endireccin perpendicular al flujo.Con estos datos se quiere poner de manifiesto el hecho deque a la hora de disear cualquier dispositivo, nada se dejaal azar sino que todo detalle es el resultado de estudios te-


68NDICE

ricos y experimentales conducentes al buen funcionamientodel equipo. La Figura 9 muestra algunas caperuzas de bor-boteo tpicas. Los detalles que las diferencian residen en elmodo en que se dispersa el vapor o el camino que sigue ellquido.

Las nicas ventajas de los platos de caperuzas de borboteoson:

a) no permiten el goteo si estn adecuadamente unidos a latorre

b) hay una gran abundancia de material publicado y de expe-riencia de los usuarios.

Las desventajas son:a) generan elevadas cadas de presin b) las eficacias de etapa son de un 10 - 20 % inferiores que enplatos perforados o de vlvula

c) estos platos son ms caros que los platos perforados y quelos de vlvula.


69NDICE

4.2. Dimetro de la columna

El lmite habitual de diseo viene dado por la inundacin dearrastre que se origina por un excesivo transporte de lquidoarrastrado por el vapor hasta el plato superior. El arrastre delquido puede deberse al arrastre de gotitas en suspensin porel vapor ascendente o a la proyeccin de partculas de lquidopor los chorros de vapor que se forman en las perforacionesdel plato, en las vlvulas o en las ranuras de las caperuzas.Souders y Brown correlacionaron satisfactoriamente los datosde inundacin de arrastre para 10 columnas comerciales deplatos suponiendo que el transporte de las gotitas en suspen-


70NDICE

Figura 9. Algunas caperuzas de borboteo.

sin controla la magnitud del arrastre. Para la velocidad inci-piente de inundacin o arrastre Uf, la gotita est suspendida detal forma que la suma vectorial de las fuerzas de gravitacin,flotacin y rozamiento que actan sobre la gotita es cero:

y en funcin del dimetro de la gotita dp

donde CD es el coeficiente de rozamiento. Despejando la velo-cidad de inundacin se obtiene

donde C = parmetro de capacidad de Souders y Brown. Deacuerdo con la teora anterior

El parmetro C se puede calcular a partir de la ec. (5) si seconoce el dimetro de la gotita dp. En la prctica, C se tratacomo un coeficiente emprico que se determina a partir de


71NDICE

datos experimentales obtenidos en la operacin del equipo. Elvalor de C aumenta con la tensin superficial, ya que aumen-tara dp. Por otra parte, C aumenta tambin con el espaciadoentre los platos, ya que esto permite ms tiempo de aglomera-cin para formar una mayor dp.

Utilizando datos adicionales de operacin de columnascomerciales, Fair obtuvo la correlacin ms general de laFigura 10. Mientras que Souders y Brown basaron la veloci-dad del vapor sobre el rea de toda la seccin transversal de lacolumna, Fair utiliz un rea neta de flujo de vapor igual alrea interior total de la seccin transversal de la columnamenos el rea bloqueada por los tubos de descenso del lqui-do. En la Figura 10 se observa que el valor de CF depende delespaciado entre los platos y de la relacin

FLV = (LML/ VMV) (rV / rL) 0.5

donde

L = velocidad de flujo molar de la fase lquidaV = velocidad de flujo molar de la fase vaporML = peso molecular de la fase lquida

MV = peso molecular de la fase vapor


72NDICE

El valor de C necesario para calcular la Uf de acuerdo con laec. (4), se obtiene a partir de la Figura 10, corrigiendo CF paratener en cuenta la tensin superficial, la tendencia a la forma-cin de espuma y la relacin entre el rea de los orificios devapor (Ah) y el rea activa del plato (Aa), de acuerdo con larelacin emprica

donde

FST = factor de tensin superficial = (tensin superficial dellquido (dinas/cm)/20)0.2

FF = factor de espuma (para sistemas que no forman espumaFF vale 1; para muchos absorbedores puede valer >0.75)

FHA = 1.0 para Ah/Aa > 0. 10 y 5(Ah/Aa) + 0.5 para 0.1>>Ah/Aa>0.06

Es tpico que el dimetro de la columna DT se base en el 85 %de la velocidad de inundacin Uf calculada a partir de la ec.(4), utilizando C a partir de la ec. (6) con CF tomado de laFigura 10, Considerando la relacin entre el flujo molar devapor y la velocidad de inundacin


73NDICE

donde A = rea total de la seccin transversal de la columna yAd = rea ocupada por los tubos de descenso del lquido, sepuede calcular el valorde DT como

Debido a la necesidad de disponer de un acceso interno en lascolumnas de platos, generalmente se utiliza una columna derelleno si el dimetro calculado a partir de la ec. (8) es inferiora 75 cm.


74NDICE

Figura 10. Capacidad de inundacin de arrastre.

4.3. Altura de la columna

Para calcular el dimetro de la columna utilizando la Figura10 es preciso especificar el espaciado entre los platos. A medi-da que aumenta el espaciado entre los platos aumenta la altu-ra de la columna, pero su dimetro disminuye. Para un ampliointervalo de condiciones se considera ptimo un espaciado de24 pulgadas (60 cm), que es el mnimo requerido para un fcilmantenimiento. Sin embargo, para columnas de pequeo di-metro y gran nmero de etapas puede ser deseable un espa-ciado menor, mientras que se utilizan con frecuencia espacia-dos mayores para columnas de gran dimetro y bajo nmerode etapas.

Cuando los flujos de vapor varan apreciablemente de un platoa otro, puede variarse el dimetro de la columna, el espaciadoentre los platos y el rea de los orificios con el fin de reducirel coste de la columna y asegurar la eficacia de la operacin.Tomando como base las estimaciones del nmero de platosreales y el espaciado entre los platos, se puede calcular la altu-ra de la columna entre los platos de cabeza y cola (como se hacomentado al hablar de las columnas de relleno, el clculo delnmero de pisos de una columna ser estudiado ampliamenteen temas posteriores). Adicionando 1.2 m por encima delplato superior para separar el lquido arrastrado y 3 m por


75NDICE

debajo del plato de cola para disponer de suficiente capacidadde remansamiento, se puede estimar la altura total de lacolumna. Si la altura es superior a 64 m (equivalente a 100platos con un espaciado de 24 pulgadas) puede ser preferibleacoplar dos o ms columnas en serie en vez de una solacolumna. (La torre de destilacin ms alta del mundo est ins-talada en el complejo de Shell Chemical Company en DeerPark, Texas. La columna fracciona etileno y tiene 338 ft de altoy 18 ft de dimetro (101.4 m de alto x 5.4 m de dimetro)).

4.4. Dispositivos interiores de las columnas

Placas anti-salto. Se utilizan a veces para evitar salpicadurasdel lquido sobre los tubos descendentes al pasar a una seccinadyacente del mismo plato.

Placas con hileras de pas. Se colocan en la parte superiorde los conductos de descenso o de los vertederos para romperla espuma y evitar su arrastre.

Vertederos de entrada. Se utilizan para asegurar el cierrede lquido en los conductos de descenso cuando se operacon elevados flujos de vapor o bajos flujos de lquido.Colectores y cierres de entrada y salida. Se utilizan paraasegurar el cierre de lquido bajo todas las condiciones.


76NDICE

Paneles de salpicadura. Se utilizan para prevenir salpicadu-ras y promover la uniformidad de flujo.Agujero de hombre. El dimetro del agujero es un factorimportante en el diseo de los platos, ya que afecta al nmerode piezas que se han de instalar y al diseo del plato.

Cerchas, anillos, soportes. En torres de gran dimetro losplatos se soportan sobre viguetas acanaladas. l mtodo a uti-lizar para sujetar los platos a la carcasa requiere experiencia yuna cuidadosa planificacin. Los platos deben de estar nivela-dos para asegurar una distribucin uniforme del flujo.En la Figura 11 se muestran algunos de estos dispositivos.


77NDICE

Figura 11. Dispositivos internos de columnas. a) Vertedero de entrada. b)Colector de salida. c) Cierre de gas. d) Paneles de salpicadura.

Adems de especificar el dimetro y la altura de una columna,su diseo incluye determinar el tamao de todos los elemen-tos que la componen. A continuacin se citan algunos de losparmetros que se deben tener en cuenta:

Dimetro de los orificios de los platos: el rea de los orifi-cios debe ser tal que a la velocidad de vapor ms baja todavano se produzca el goteo del lquido.

Dimensiones del borde del plato: la altura del borde del pisodetermina el volumen de lquido sobre el plato, lo que es unfactor importante para determinar la eficacia del plato.

Distancia entre los centros de los orificios: depender delnmero de orificios activos que se requieren y del rea de ori-ficio determinada. En general, no debe ser inferior a 2 vecesel dimetro del orificio, y el intervalo normal es de 2 - 4 veces.

Diseo del tubo de descenso del lquido: su rea debe ser talque el nivel de lquido y de espuma que se alcanza en el tubosea inferior al que hay en el plato (del que desciende el lqui-do). Si el nivel alcanzado es mayor la columna se inundar. Elnivel debe ser superior al existente en el plato al que llega ellquido, para que exista cierre hidrulico, y el vapor no ascien-da por el conducto de bajada de lquido.


78NDICE

Para todo ello existen ecuaciones empricas, grficos, correla-ciones, valores promedio, ... que conducen a un primer valoraproximado. Si los resultados que se obtienen conducen avalores adecuados de velocidad de goteo, de arrastre, prdidade carga, ... , las dimensiones del equipo sern vlidas. En casocontrario se deben modificar hasta optimizar el diseo.

5. Columnas de relleno frente a columnas de platosLa diferencia de costes entre las columnas de platos y de relle-no no es demasiado grande, aunque el relleno es ms caro quelos platos. Por otra parte, la diferencia de altura de la columnano es generalmente significativa si las velocidades de flujo sontales que las eficacias estn prximas a su valor mximo.Como regla aproximada, los platos se utilizan siempre encolumnas de gran dimetro y torres con ms de 20 30 etapas.

Condiciones que favorecen a las columnas de relleno:

1. Columnas de pequeo dimetro

2. Medios corrosivos

3. Destilaciones crticas a vaco, donde son imprescindiblescadas de presin bajas4. Bajas retenciones de lquido (si el material es trmicamen-te inestable)


79NDICE

5. Lquidos que forman espuma (debido a que en columnas derelleno la agitacin es menor) Condiciones que favorecen a las columnas de platos:

1. Cargas variables de lquido y/o vapor

2. Presiones superiores a la atmosfrica

3. Bajas velocidades de lquido4. Gran nmero de etapas y/o dimetro

5. Elevados tiempos de residencia del lquido

6. Posible ensuciamiento (las columnas de platos son msfciles de limpiar)7. Esfuerzos trmicos o mecnicos (que pueden provocar larotura del relleno)

6. Contactores lquido-vapor menos utilizados

Columnas de pulverizacin. En las aplicaciones de la absor-cin de gases, si se necesitan pocas etapas, se puede utilizar unacolumna de pulverizacin. La columna de absorcin con pulve-rizacin ms sencilla consiste simplemente en un cmara vacadentro de la cual el lquido desciende en forma de lluvia y el gas


80NDICE

asciende entrando por la parte inferior. En dispositivos mssofisticados pueden dispersarse ambas fases por medio de dis-positivos relativamente complicados tales como boquillas deatomizacin, atomizadores de venturi o chorros. Sin embargo,esta dispersin implica elevados costes de bombeo. Las unida-des de pulverizacin tienen la ventaja de una baja cada de lapresin del gas, no se forman tapones de slidos ni se inundan.

Columnas de placas y platos de lluvia. Las columnas de placasy las de platos de lluvia (Figura 12) se caracterizan por una relati-vamente baja dispersin del lquido y muy bajas cadas de presin.


81NDICE

Figura 12. Columnas de placas. a) Columna de placas y discos. b) Columna de platos de lluvia.

7. Equipo para extraccion lquido-lquido

A continuacin, brevemente, se describirn algunos de losdiferentes tipos de equipo existentes:

Mezcladores-Sedimentadores. Este tipo de equipo puedevariar desde un solo tanque, con agitador, que provoca la mez-cla de las fases y despus se dejan sedimentar, hasta una granestructura horizontal o vertical compartimentada. En general,la sedimentacin se realiza en tanques, si bien algunas veces seutilizan centrfugas. Sin embargo, la mezcla puede realizarsede formas diferentes, como por impacto en un mezclador dechorro, por accin de cizalladura cuando ambas fases se ali-mentan simultneamente en una bomba centrfuga, medianteinyectores 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, ladispersin en la fase continua limita la aplicacin de este equipoa los casos en los que solamente se requiere una o dos etapas. Enla Figura 13 se presentan algunas configuraciones tpicas.

Columnas de relleno. Para extraccin lquido-lquido se uti-lizan los mismos tipos de relleno que en absorcin y destila-cin. Es preferible utilizar un material que sea preferentemen-te mojado por la fase continua. En las columnas de relleno la


82NDICE

dispersin axial es un problema importante y la HETP esgeneralmente mayor que en los dispositivos por etapas.

Columnas de platos. En este caso se prefieren los platos per-forados. La separacin entre los platos es mucho menor queen destilacin: 10-15 cm para la mayor parte de las aplicacio-nes con lquidos de baja tensin interfacial. Cuando se operacon un rgimen de flujo adecuado, las velocidades de extrac-


83NDICE

Figura 13. Torre de pulverizacin para extraccin. a) Lquido ligerodisperso. b) Lquido pesado disperso.

cin en columnas de platos perforados son elevadas debido aque las gotas de la fase dispersa coalescen y se vuelven a for-mar en cada etapa. Esto favorece la destruccin de gradientesde concentracin que se pueden formar cuando las gotaspasan sin perturbacin a travs de toda la columna. Lascolumnas de platos perforados para extraccin estn someti-das a las mismas limitaciones que las columnas de destilacin:inundacin, arrastre y goteo. Con frecuencia se presentan pro-blemas adicionales como la formacin de suciedad que sobre-nada y que se origina por la presencia de pequeas cantidadesde impurezas.

Equipo de gravedad asistido mecnicamente. Si las dife-rencias de densidad entre las dos fases lquidas son bajas, lasfuerzas de gravedad resultan insuficientes para una adecuadadispersin de las fases y creacin de turbulencia. En este caso,se utilizan agitadores rotatorios accionados por un eje que seextiende axialmente a lo largo de la columna con el fin decrear zonas de mezcla que alternan con zonas de sedimenta-cin en la columna. Un ejemplo tpico es el RDC (rotatingdisc contactor) que se ha utilizado en tamaos de hasta 12 mde altura y 2.4 m de dimetro. Los discos, con elevada veloci-dad de giro, proporcionan la energa necesaria para la mezclade las dos fases. Pegados a la columna, se montan unos discos


84NDICE

metlicos perforados que sirven de separacin entre cada dosdiscos giratorios, dirigiendo el flujo y previniendo la disper-sin axial. Otros aparatos de uso comercial son la cascada demezcladores-sedimentadores en forma de columna desarrolla-da por Treybal y las columnas pulsadas, que son columnas deplatos perforados provistas de una bomba de mbolo para pro-mover la turbulencia y mejorar la eficacia.Extractores centrfugos. Las fuerzas centrfugas, que puedenser miles de veces superiores a las de la gravedad, puedenfacilitar las separaciones cuando se presentan problemas deemulsificacin, las diferencias de densidades son muy bajas, ocuando se requieren tiempos de residencia muy pequeosdebido a un rpido deterioro del producto, como ocurre en laindustria de antibiticos. Generalmente, los extractores centr-fugos slo tienen una o dos etapas, aunque se han construidounidades con cuatro etapas.

En la Tabla 2 se muestra un resumen de las ventajas e incon-venientes de los equipos de contacto utilizados en extraccin.

En el diseo de los equipos de contacto lquido-lquido inter-vienen un mayor nmero de variables importantes que en elcaso de los contactores lquido - vapor, por lo que la estima-cin del dimetro de la columna es ms compleja e incierta.


85NDICE

Las variables de inters son: velocidades individuales de flujode las fases, diferencia de densidad entre las dos fases, tensininterfacial, direccin de transferencia de materia, viscosidad ydensidad de la fase continua, velocidad de rotacin y vibra-cin (cuando hay agitacin mecnica) y geometra del com-partimento.

El dimetro de la columna se determina mejor mediante cam-bio de escala a partir de ensayos de laboratorio o en unidadesde planta piloto. En ausencia de datos de laboratorio se puedehacer una estimacin del dimetro. Ya hemos visto que paracalcular el dimetro de una columna de platos donde seponen en contacto lquido y vapor se hace un estudio de lasfuerzas a que est sometida una gotita de lquido inmersa enun gas y se calcula su velocidad incipiente de inundacin oarrastre Uf. Algo similar sucede para deducir una expresinque permita calcular el dimetro de un contactorlquido-lquido: se calcula la velocidad relativa media deascenso de una gota de fase dispersa con relacin a la fasecontinua que lleva un movimiento descendente. De nuevo,como en los contactores lquido - vapor, se obtienen relacio-nes y grficos que permiten relacionar cocientes de flujo defase continua - fase dispersa con la capacidad total de lacolumna, aunque no las presentaremos en este tema.


86NDICE

Tabla 2. Ventajas e inconvenientes de los diferentes equiposde extraccin


87NDICE

Bibliografa

Henley, E.J. y Seader, J.D. (1988). Operaciones deSeparacin por etapas de equilibrio en

Documents

Operaciones Unitarias