Plate Tower vs Packed Tower: selección, diferencias, ventajas y desventajas (PDF)

La destilación es un proceso en el que una mezcla líquida o de vapor de dos o más sustancias se separa en sus componentes de la pureza deseada mediante transferencia de calor y masa. El grado de separación en el proceso de destilación depende de la volatilidad relativa de los componentes a separar. En el proceso de destilación la fase de vapor contiene más componentes volátiles (que tienen puntos de ebullición más bajos), este vapor se enfría y condensa en el condensador de cabeza y consiste en contener más componentes volátiles. Por otro lado, la mezcla original contendrá más del componente menos volátil (que tiene un punto de ebullición más alto).

Existen diferentes tipos de columnas de destilación (también conocidas como torres de destilación) que están diseñadas para realizar tipos específicos de separación. Dos tipos principales de columna son la columna de platos y la columna empacada. Existen diferencias entre estos dos tipos de columnas. En este artículo, proporcionaremos la diferencia entre la columna de platos y la columna de platos, su selección, sus aplicaciones, ventajas y desventajas.

¿Cuáles son las diferencias entre la Columna Empaquetada y la Columna de Platos?

Las principales diferencias entre torres empacadas y de placas se dan en la siguiente tabla:

Columnas empacadas o Torre empacadaColumna de platos o torre de platos
Generalmente se utilizan columnas empacadas de menor diámetro (menos de 600 mm)La columna de placas se utiliza para un diámetro relativamente grande y una gran cantidad de etapas.
Una columna empacada es adecuada para operaciones de baja capacidad.La columna de placas puede manejar una gama más amplia de caudales de gas y líquido.
Para el manejo de líquidos corrosivos, la columna empaquetada es más económica, ya que se puede usar fácilmente un material de empaque cerámico económico o un elemento de empaque resistente a los productos químicos disponible.El manejo de columnas rellenas de líquido corrosivo es menos económico.
Es apropiado para acomodar el manejo de líquido espumante.No es apropiado para manipular líquidos espumosos.
Para la columna empaquetada, el trabajo de mantenimiento o limpieza no se puede realizar fácilmente. Consume tiempo y mano de obra.Es mucho más accesible para el mantenimiento de las columnas de placas instalando orificios de mantenimiento en las placas para mantener el ensuciamiento.
Para el servicio de vacío, una columna empacada es más factible ya que la caída de presión por etapa es menor.Para el servicio de vacío, la columna de placas no es económica ya que provoca una gran caída de presión.
Para aplicaciones de flujo lateral, una columna empaquetada no es adecuada.Para la aplicación de flujo lateral, la columna de placas es la más adecuada.
Las columnas empacadas son contactores diferenciales donde la transferencia de masa ocurre a lo largo de los contactores y no se alcanza el equilibrio en ningún punto entre las fases.En las columnas de platos, el equilibrio se alcanza entre etapas donde la transferencia de masa ocurre de manera intermitente.
En la columna empaquetada, el empaque se usa como un dispositivo de contacto gas-líquido.En una columna de platos, el plato se usa como un dispositivo que contiene gas-líquido.
El diseño de una torre empaquetada implica básicamente el cálculo de la altura de la unidad de transferencia (HETP) para una separación dada.Para diseñar columnas de platos, se debe calcular el número de etapas teóricas para efectuar una separación dada.
Las torres empaquetadas son de construcción simple.Las columnas de placas son de construcción compleja.
Se utilizan diferentes tipos de empaquetaduras para el contacto gas-líquido, como anillos Raschig, anillos Pall, sillín Berl, sillín Intalox, etc.Como contactor de gas-líquido, se utilizan diferentes tipos de bandejas, como la bandeja de tamiz, la bandeja de tapa de burbuja y la bandeja de válvula.

Tabla 1: Torre de placas vs torre empacada

Ventajas y desventajas de una columna empacada:

Hay varias ventajas de una columna empaquetada, así como también desventajas.

Ventajas de la Torre Empaquetada

Los principales puntos de ventajas se han capturado aquí,

  1. Requiere estructura mínima.
  2. La columna empaquetada provoca una caída de presión mínima.
  3. La retención de líquido es relativamente baja en la columna empaquetada.
  4. La columna empaquetada puede manejar fácilmente fluidos espumosos altamente corrosivos.
  5. Requiere baja inversión.

Desventajas de la torre empacada

Las desventajas son las siguientes,

  1. La torre empacada es relativamente inflexible para manejar una amplia gama de relaciones G/L.
  2. De modo que no puede manejar fácilmente amplios rangos de tasas de vapor o líquido por unidad de sección transversal.
  3. En el empaque, puede ocurrir una mala distribución de gas-líquido.
  4. No puede manejar fluidos sucios que tienden a depositarse.
  5. Debido a la distribución desigual, la canalización ocurre con frecuencia en la columna empaquetada, lo que da como resultado una transferencia de masa deficiente.
  6. La columna empacada es adecuada para ese servicio donde ocurren grandes cambios de temperatura.

Ventajas y desventajas de la columna de placas

Ventajas de la columna de placa

Los principales puntos de ventajas se han capturado aquí,

  1. La columna de placas proporciona contacto por etapas para que se pueda alcanzar el equilibrio.
  2. Puede operar en una gama más amplia de relación gas/líquido.
  3. La limpieza y el mantenimiento se pueden realizar fácilmente para las columnas de placas.
  4.  La columna empaquetada provoca una caída de presión mínima.
  5. La corriente lateral se puede extraer fácilmente de la torre de placas.
  6. La columna de placas se puede escalar hasta un gran diámetro.
  7. Se puede predecir el comportamiento hidráulico y de transferencia de masa.

Desventajas de la columna de placas

Las desventajas son las siguientes,

  1. La columna de platos no puede funcionar correctamente para el servicio de formación de espuma, ya que reduce el rendimiento y la eficiencia de las columnas de platos.
  2. La retención de líquido es relativamente alta para la columna de platos.
  3. No es nada económico para servicio corrosivo. Si está obligado a usar, entonces se puede usar una placa resistente a la corrosión cuyo costo es demasiado alto para usar.
  4. La columna de placa requiere un gran soporte para instalar, lo que aumenta el costo.

¿Cómo seleccionar una Columna Empaquetada y una Columna de Platos?

La selección de un tipo particular de equipo para una aplicación de gas-líquido depende de varios factores como la capacidad, la eficiencia, la caída de presión, las propiedades del fluido, la retención, el presupuesto, etc. Pero los criterios básicos de selección son el costo y la ganancia, pero en algunos casos, la elección se realiza sobre la base del análisis cuantitativo de las ventajas y desventajas relativas de la torre empacada y la torre de placas. Algunos de los méritos y deméritos que generalmente se consideran son,

  1. La torre de placas puede operar en un rango más amplio de caudales de gas-líquido sin inundaciones.
  2. La torre de placas proporciona una mejor separación al mezclar y separar repetidamente, mientras que la torre empacada puede conducir a una mezcla y canalización inversas.
  3. Debido a la mala distribución de gas-líquido que surge en la torre empacada, la torre de placas es más confiable.
  4. Para sólidos y líquidos dispersos, la torre de placas es más adecuada, ya que el mantenimiento y la limpieza se pueden realizar fácilmente en la torre de placas.
  5. La información de diseño de la torre de placas está más disponible.
  6. Para la mezcla exotérmica, se puede requerir un enfriamiento intermedio que se puede proporcionar fácilmente para eliminar el exceso de calor proporcionando un dispositivo de enfriamiento.
  7. La bomba alrededor de la bomba se puede usar fácilmente en una columna tipo placa.
  8. Para la formación de espuma se suele preferir la torre de relleno líquido.
  1. Como la caída de presión en la torre empacada es relativamente baja, se puede usar fácilmente para el servicio de vacío.
  2. El líquido de retención es bajo en la torre empacada, por lo que se utilizan para materiales sensibles al calor donde pueden deteriorarse bajo la exposición a altas temperaturas.

Internos de columna

Los componentes internos de la columna son los componentes de la columna que proporcionaron un área de contacto para la separación gas-líquido.

Para la columna de la bandeja, los internos son,

  1. Bandeja de tamiz
  2. Bandeja de válvula
  3. Bandeja con tapa de burbuja
  4. Otros (como bandejas Max-Frac)

Para los componentes internos de la columna empacada, hay empaques que son de dos tipos: empaque aleatorio y empaque estructurado. El empaque aleatorio o empaque apilado tiene diferentes tipos de anillos de empaque que son,

  1. Anillos Raschig
  2. Anillos Pall
  3. silla de montar
  4. sillín intalox

Para el empaque estructurado, existen anillos de empaque que son artículos propietarios de proveedores como Mellapak, Flexi Grid, tipo Sulzar, etc.

Bandeja de tapa de burbuja:

La bandeja de burbujas las distribuye como fase en la fase líquida como burbujas finas o gotas. Evita el goteo que es el drenaje a través del paso de gas a caudales de gas bajos. Normalmente, no se utiliza una bandeja con capuchones de burbuja, ya que provoca caídas de alta presión y costes más elevados.

Tapa de burbuja, tamiz y bandeja de válvulas
Fig. 1: Tapa de burbuja, tamiz y bandeja de válvula

Bandeja de tamiz:

Este tipo de bandeja consta de una placa perforada que tiene orificios a través de los cuales se puede dispersar el gas en el líquido de la placa. Es básicamente una lámina de metal y tiene cientos de perforaciones de tamaños de 3-12 mm. El área en la que consisten los agujeros es casi el 5-15% del área de la bandeja. Estas bandejas se usan comúnmente hoy en día ya que su construcción es muy simple, así como su costo es bajo.

Bandeja de válvula:

La bandeja de válvulas no es más que una lámina de metal perforada donde los orificios se tapan con tapas o discos móviles. El diámetro de los discos es de hasta 38 mm y se mantienen en la placa mediante patas que evitan el movimiento ascendente de los discos para los flujos de gas.

Anillo Raschig:

Este tipo de relleno es del tipo tubular generalmente utilizado en las columnas de destilación fraccionada . Son básicamente de tubo cilíndrico y su longitud y diámetro son casi iguales. Puede ser de acero al carbono, cerámica y plástico.

Raschig Ring, Pall Ring y Berl Saddle
Fig. 2: Raschig Ring, Pall Ring y Berl Saddle

Anillo Pall:

Este tipo de anillo está hecho de aleación de metal SS04, SS316L. Además de esto, puede estar hecho de acero al carbono y aleaciones especiales como Monel 400 y Hastelloy, C276. Se encuentran disponibles varios tamaños de anillos mortuorios, como 16 mm, 25 mm, 38 mm y 50 mm.

Sillín Berl:

Este tipo de anillo provoca baja caída de presión y alta eficiencia. Proporciona una gran área interfacial efectiva junto con una alta resistencia mecánica. El coste de este material de embalaje no es elevado ya que contiene menos piezas metálicas. Está disponible en varios tamaños que dan diferentes combinaciones de eficiencia y caída de presión.

¿Qué es el embalaje aleatorio?

El empaque aleatorio utilizado en columnas de separación como la columna de destilación aumenta el área de superficie para la transferencia de masa entre vapor/líquido para que la separación sea más fácil. Las pequeñas piezas de material de relleno aleatorio en una columna de destilación están hechas para proporcionar una gran superficie. El empaque aleatorio proporciona una relación máxima de superficie a volumen y reduce la caída de presión. El grado de eficiencia del empaque aleatorio depende de varios factores, como la caída de presión y la capacidad, la porosidad, etc. Por lo general, cuando el empaque aleatorio es de gran tamaño, la capacidad aumenta a costa de una menor eficiencia. Por otro lado, cuando el empaque aleatorio es más pequeño, la eficiencia aumenta a costa de una menor capacidad. Ejemplos de empaquetamiento aleatorio son anillos Raschig, anillos Pall, etc.

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Embalaje aleatorio vs estructurado
Fig. 3: Embalaje aleatorio vs estructurado

¿Qué es el embalaje estructurado?

El empaque estructurado brinda una distribución uniforme de los materiales de empaque, que generalmente son de gran tamaño. Por lo general, está hecho de láminas delgadas de metal corrugado que obligan al fluido a adoptar disposiciones específicas predeterminadas dentro de la torre. Este tipo de empaque se usa generalmente en aplicaciones en alta mar. Esparce el líquido en una película delgada. Esta configuración provoca más contacto y aumenta el grado de separación. El empaque estructurado generalmente conduce a una caída de presión baja, por lo que puede manejar un flujo volumétrico más grande que el empaque aleatorio. Para la deshidratación del gas natural se utiliza empaque estructurado de fabricación de estireno.

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