colunm and tray sizing1

Lima, 7 – 11 de Agosto de 2006Ezequiel Acosta, Ing. Químico M. Sc.

COLUMN SIZINGCOLUMN SIZING


Las torres de platos son cilindros verticales en que el líquido y el gas se ponen en contacto en forma de pasos sobre platos, tal como lo muestra esquemáticamente la figura

El líquido entra en la parte superior y fluye en forma descendente por gravedad. En el camino, fluye a través de cada plato y a través de la bajante al plato inferior.

El gas pasa hacia arriba, a través de orificios del plato; entonces burbujea a través del líquido para formar una espuma, se separa de la espuma y pasa a plato superior. El efecto global es un contacto múltiple a contracorriente entre el gas y el líquido, aunque cada plato se caracteriza por el flujo transversal de los dos.

Cada plato en la torre es una etapa, puesto que sobre el plato se ponen los fluidos en contacto íntimo, ocurre la difusión interfacial y los fluidos se separan.

Arreglo de la columna


BAJANTE (DOWNCOMER): Desengancha el vapor del liquido que va hacia el plato de abajo y provee un área para el flujo de liquido

AREA ABIERTA / AREA DE BURBUJEO : Provee un área para el flujo del vapor, la velocidad ascendente del vapor debe ser menor que la velocidad que causa arrastre masivo ( entraiment)

ESPACIAMIENTO ENTRE PLATOS: Mientras mayor sea la distancia entre los platos la bajante tendrá mayor capacidad para desenganchar el vapor del líquido

PLATO: Promueve el contacto intimo entre el vapor y el liquido

DIAMETRO DE LA TORRE : El diámetro interno de la columna debe ser seleccionado para suministrar un área adecuada de la bajante y de burbujeo para evitar restricciones de flujo del liquido y del vapor

DOWNCOMER

AREA DE BURBUJEO

VERTEDERO ENTRADA SALIDA

CAJA DE SELLOLA BAJANTE

DEFINICIONES


F igura No. 5

B

A

Figura No. 6

Que pasa cuando un columna se Inunda?

Área abierta de la ColumnaArrastre masivo ( entrainment ) del liquido del plato de abajo

Área de la bajante y configuraciónEspuma y burbujas que no se pueden desenganchar del liquido en la bajanteLlenado de la bajante debido a restricciones de flujo

El tamaño de la bajante, el área de burbujeo y el espaciamiento entre platos es independiente del tipo de dispositivo de contacto de las dos fases.

El diseño del dispositivo de contacto solo afecta la eficiencia de plato especialmente a bajas y altas carga hidráulica


Diagrama de desempeño típico de los platos

Incremento en la rata de flujo de liquido

Incr

emen

toe n

l ar a

t ade

vapo

r

Incremento en la rata de flujo de liquido

Incr

emen

toe n

l ar a

t ade

vapo

r


Si se incrementa el reflujo en la torre se observará lo siguiente:

-La temperatura de cima de la torre disminuirá-La cantidad de producto pesado en la corriente de cima disminuirá-La temperatura del fondo de la torre comenzará a disminuir-El suministro de energía en el rehervidor se incrementará, para reestablecer el valor de setpoint de temperatura-El flujo másico y la velocidad del vapor a través de los platos se incrementará-El arrastre de líquido en los platos se incrementará-Cuando el nivel de líquido de los platos inferiores alcance los platos superiores se contaminaran con producto pesado el producto liviano contenido en los platos superiores.-Si se continua incrementando el reflujo a la torre se desmejorará el fraccionamiento en lugar de mejorarlo.

Tem

p Fo

ndo-

Tem

p C

ima

R e flu jo d e c im a

In u n d a c c ió nin c ip ie n te

F igura No. 1

Inundación Incipiente


K = ( P ) * ( 28 ) (NTS)*(TS)*(SG)

En donde: P = caída de presión a través de la torre, psigNT = numero de platos TS = espaciamiento entre platosSG = gravedad específica del líquido claro, a la temperatura de operación.

Sobre la base de una gran cantidad de observaciones de campo, se ha observado:

K Comentario

0.18 - 0.25 Punto de mejor eficiencia

0.35 – 0.40 Arrastre de liquido, un incremento en el reflujo reducirá notablemente la eficiencia

> 0.50 Totalmente inundado

0.10 – 0.12 Vaciado

0.00 Nivel de liquido cero, los paltos están caídos

Inundación Incipiente


PLATOS Campanas de burbujeo

RectangularesCilíndricas

VálvulasFijasFlotantes

Perforados

PLATOS vs EMPAQUESEn el plato el líquido es continuo y la vapor es discontinuo, en la sección empacada se invierteLa columna con platos se tiene una alto inventario de líquido (Mayor tiempo de residencia)Las columnas con empaque requiere internos para distribuir el líquidoEl empaque tiene una menor caída de presión (torres de vacío), menor tendencia a la formación de espuma (el contacto es menos violento)Los platos toleran más los sistemas con alto contenido de sólidos y es más fácil de limpiarColumnas de diámetro pequeño (Empaque) de gran diámetro (platos)El plato presenta una mayor flexibilidad a cambios en el caudal de liquido Las columnas con platos son menos pesadas, más fácil de inspeccionar (Manholes y Manways) y los fenómenos mecánicos debido a las paradas y puesta en servicio se atenúan más fácilmente

DISPOSITIVOS DE CONTACTO

EMPAQUEAnillosSillasEstructurado


Platos de campanas de burbujeo


Platos de válvulas


Platos de válvula


Platos perforados


Random Estructurado

Pall rings ( Koch)

CRM TM rings ( Glitsh)

IMTP Silla ( Norton)

Flexisaddle Silla ( Koch)Mellapack ( Sulzer)

Tipo Grid ( Glitsh )

Distribuidor por gravedad ( Norton )

Empaque


DISPOSITIVOS DE CONTACTO

Problemas mecánicos

PLATOS CorrosiónHerrumbreLloriqueo e inundación en la sección de entrada del líquido

PLATOS vs EMPAQUESDistribución no efectiva

VaporLíquido

Migración del empaqueRejilla de soporteRejilla de sujeción

Encarbonamiento

Garantías del vendedor de los platosCargaHidráulica del platoEficiencia de platoSeparación y recuperación de productos


Capacidad de carga del plato

Efici

enci

a

0 100

100

Fractionation Research Institute ( FRI)

Campanas de burbujeo

Válvulas

Orificios

Prueba estándar para platos comerciales

Guías de selección:

Diseño de nuevas columnas estándar:

Use platos perforadosPara bajo turndown use válvulasPrefiera los platos que han sido probados por el FRIUse empaque en unidades de vacío

Revamps

Instale platos de alta capacidadCambie a empaqueReduzca el reflujo

Contingencia

Reflujo de diseño igual al 110% del reflujo calculadoUse una eficiencia apropiadaDiseñe platos para un % de inundación no superior al 82%


Diseño de la columna, etapas

Especificacionesde diseño

Entrada

Cálculos Preliminares

Cálculos con computador

Dimesionamientode equipos

Diseño finalde proceso

Salida

1. Requerimientos de diseño

Se debe disponer de la información de la carga, la destilación TBP o ASTM, la disponibilidad de servicios para el rehervidor y el condensador . Los flujos y calidades de los productos se deben establecer como especificaciones

2. Cálculos Preliminares

La distribución de los componentes en la carga, la temperatura y presión de la columna.

3. Cálculos en computador

Se realizan cálculos rigurosos etapa por etapa para llegar a la solución. El calculo de las propiedades físicas, teniendo en cuenta la no idealidad mejoran los resultados.

Los programas más usados son: Pro II (SimSci), Hysys (Aspen Tech), Aspen Plus (Aspen Tech)


Entrada


Entrada

Cálculos Preliminares

Cálculos con computador

Dimesionamientode equipos


Salida


Salida

1. Requerimientos de diseño

Se debe disponer de la información de la carga, la destilación TBP o ASTM, la disponibilidad de servicios para el rehervidor y el condensador . Los flujos y calidades de los productos se deben establecer como especificaciones

2. Cálculos Preliminares

La distribución de los componentes en la carga, la temperatura y presión de la columna.

3. Cálculos en computador

Se realizan cálculos rigurosos etapa por etapa para llegar a la solución. El calculo de las propiedades físicas, teniendo en cuenta la no idealidad mejoran los resultados.

Los programas más usados son: Pro II (SimSci), Hysys (Aspen Tech), Aspen Plus (Aspen Tech)


El diámetro de la torre depende de las cantidades de líquido y gas que fluyen a través de la torre por unidad de tiempo.

El diámetro de la torre y, en consecuencia, su Área transversa debe ser lo suficientemente grande para manejar el flujo del gas y del líquido dentro de la región de operación satisfactoria

Con respecto a un tipo dado de plato en la inundación, la velocidad superficial del gas VF (flujo volumétrico del gas / sección transversal neta para el flujo An ) está relacionada con las densidades del fluido. La sección transversal neta An es la sección transversal de la torre At menos el área de las bajantes (Ad en el caso de un plato de flujo transversal).

CF es una constante empírica, cuyo valor depende del diseño del plato.

DIAMETRO DE LA TORRE


Valores apropiadamente pequeños de VF se utilizan en el diseño real, para líquidos que no hacen espuma, es normal un valor del 80 al 85% de VF (75 por ciento o menos para líquidos que hacen espuma), valor sujeto a verificación con respecto a las características de arrastre del líquido en el gas y a la caída de presión.

Ordinariamente, el diámetro escogido de esta forma será adecuado, aunque ocasionalmente el flujo del líquido puede ser una limitación. Un plato de flujo transversal de un solo paso bien diseñado puede generalmente manejar hasta 0.015 m3/s de líquido por metro de diámetro de torre ( 0.165 ft3/ ft. s).



DIMENSIONAMIENTO PRELIMINAR

Usando el factor de barril se puede hacer una excelente estimación del diámetro de la columna.

1. Factor de barril = F / d2

F = BPD de carga

d = diámetro de la columna expresado en pies

El factor de barril debe ser obtenido de unidades en operación o de diseños pasados

2. Factor de suministro de calor = Q reb / d2

Para la mayoría de servicios en refinación este factor es 350.000 BTU/Hr

3. Factor General = ( R + F ) / d2

R = BPD de reflujoF = BPD de carga

Servicio Factor de Barril

Base

Columna de crudo 100 - 150 Evaporado

Columna de vacío 50 - 65 Evaporado

Despojadora lateral 450 Productos

Debutanizadora 175 - 200 Carga

Deetanizadora 100 Carga

Spliter C3/C4 150 - 200 Carga

Estos valores pueden ser afectados por:

1. Precalentamiento de la carga2. Relación de reflujo3. Presión de la columna



ESPACIAMIENTO ENTRE PLATOS

El espaciamiento entre los platos se escoge con base en la facilidad para la construcción, mantenimiento y costo; posteriormente se verifica para evitar cualquier inundación y arrastre excesivo del líquido en el gas.

Se han usado espaciamientos de 15 cm. (6 in). Para todos los diámetros, excepto para los diámetros más pequeños de la torre, parece que 50 cm. (20 in) es un mínimo aceptable desde el punto de vista de la limpieza de los platos.

VALORES RECOMENDADOS


Mientras mayor es el espaciamiento entre platos, se tendrá disponible más tiempo en el área activa para separar la espuma y prevenir el arrastre de liquido de un plato a otro.

Típicamente el espaciamiento es 24”. La capacidad es corregida para diferentes espaciamientos a través del factor de espaciamiento entre platos.

Factor de espaciamiento entre platos (TSF)

ESPACIAMIENTO ENTRE PLATOS


Sistemas con tendencia a la formación de espuma deberán ser tenidos en cuenta para reducir la capacidad del sistemaEstos factores son basados en la experiencia

El factor para servicios de separación a alta presión y con densidades de vapor superiores a 1.8 lb/cf será:

System Factor=1.21/( d v )0.32

System Factor

Absorbedora ( over 0°F) 0.85

Absorbedora ( below 0°F) 0.80

Contactor de amina 0.80

Torres de vacío 0.85

Regeneradora de amina 0.85

Despojadora de H2S 0.85

Fraccionadora de furfural 0.85

Secc. superior de absorbedora tipo demetanizadora / Deetanizadora

0.85

Contactores de glicol 0.50

Fracc. de glicol y contactores de glicol en gas de síntesis de glicol

0.65

Absorbedoras de CO2 0.80

Regeneradoras de CO2 0.85

Lavado caustico 0.65

Regenerador Caustico, Despojo de agua agria y aceitosa 0.60

Absorvedoras de alcohol de sintesis 0.35

Contactor de carbonato 0.85

Regenerador de carbonato 0.90

Reclaimer 0.70

Espuma, Factores del sistema


NUMERO DE PASOS

Numero de pasos

Mínimo mecánico

Mínimorecomendad

o

2 4.5’ 6’

3 7.5’’ 9’

4 10’ 12’

Si todas las columnas fueran diseñadas con un solo paso el diámetro de la columna seria demasiado grande para un diseño de flujo alto de liquido.Es común encontrar diseños de dos, tres y cuatro pasos en los platos cuando se tiene un alto flujo de liquido. Preguntas a resolver en el diseño

Cual es la geometría de los platos para dos, tres y cuatro pasos?Cuales son las diferencias hidráulicas entre los platos de dos, tres y cuatro pasos? Como se hace las selección de pasos?

Criterios1. Limitaciones mecánicas


2. Limitaciones hidráulica

El flujo de líquido por longitud del vertedero GPM/Ft no puede exceder de 120 para platos de dos, tres y cuatro pasos

Como guía

N = L / (80*D)

Donde:

N = No de pasos

L = flujo de liquido en GPM

D = diámetro en FT

NUMERO DE PASOS, criterios


C

B

A

D

A : Altura de la cuerda, HB : Longitud de la cuerda o longitud del vertedero,

WL

C : Longitud de la trayectoria de flujo, FPLD: Ancho de la bajante, WD

1. Área de la bajante central = Diámetro x WD

2. Bajante intermedia en los platos de 3 pasos.• Asuma Altura de la cuerda / Diámetro =

0.33• Longitud del vertedero = 0.9426 x

Diámetro• Área de la bajante = 0.9426 x Diámetro x

Ancho

3. Bajante intermedia en los platos de 4 pasos• Asuma Altura de la cuerda / Diámetro =

0.25• Longitud del vertedero = 0.866 x Diámetro• Área de la bajante = 0.866 x Diámetro x

Ancho

Dimensiones del plato


Vertedero entrada salida

Caja de selladoF igura No. 5

Función: Transportar el líquido de un plato al siguiente. Puesto que el líquido se agita hasta formar una espuma sobre el plato, debe permitirse que permanezca un tiempo adecuado en la bajante para permitir que el gas se separe del líquido, de tal forma que sólo entre líquido claro en el plato inferior. La bajante debe colocarse lo suficientemente cerca del plato inferior como para que se una al líquido en ese plato.

Sellado de la bajante: Se hace para que no se introduzca vapores por la bajante para acortar camino hacia el plato superior.

Vacío, 5 mm mínimo, 10 de preferencia ( ¼ a ½”)Presión atmosférica y superior, 25 mm mínimo, 40 mm de preferencia ( 1 a 1.5”)

Pueden utilizarse recipientes cerrados o diques de retención (represas interiores), pero es mejor evitarlos especialmente si existe tendencia a acumular sedimentos. Deben utilizarse orificios de goteo en los diques de retención para facilitar el desalojo del líquido cuando la torre sale de servicio

Dimensionamiento de la bajante


Clases de bajantes


Dimensionamiento de la bajante

Capacidad de diseño del vertedero ( GPM/ Ft)

60 – 80 máximo para platos de 1 paso120 máximo para platos de 2 y más pasos

Capacidad de diseño de la bajante ( GPM / Ft2 )

Use la carta B, corrija si es necesario por el espaciamiento entre platos y si el factor de inundación es superior a 85%

% Dc Capacity = ( GPM/Adc)(100/206)(1/SF)(24/TS)

GPM : Tráfico de líquido en la bajanteAdc : Área total de la bajante disponible para el trafico en la bajanteSF : Factor del sistemaTB : Espaciamiento entre platos, pulgadas

Ancho de la bajante ( mínimo mecánico)

Bajante lateral: No menor de 5”Bajante central: No menor de 9”


LONGITUD DEL VERTEDERO


Dimensionamiento de la bajante, carta B


Dimensionamiento de la bajante, Carta C


Dimensionamiento de la bajante, Carta D


Dimensionamiento de la bajante, Carta D.1


Altura de vertedero, Carta E


Altura de vertedero, Carta E.1


Dimensionamiento de la bajante, Carta F


Dimensionamiento de la bajante, Carta H


Altura de vertedero, Carta I


Altura de vertedero, Carta J


Altura de vertedero, Carta K


Altura de vertedero, Carta L


* P2

* P1

P plato seco =caída de presión de plato seco, expresado en pulgadas de líquido claroP hidráulico =caída de presión hidráulico en el plato, expresado en pulgadas de líquido.K = coeficiente del orificio, el cual puede estar entre 0.3 para platos perforados y 0.6 a 0.95 para platos de válvulasDv = Densidad del vapor, lb / pie3

DL = Densidad del líquido, lb / pie3

Vg = velocidad del vapor o el gas a través de los orificios del plato, pies/sAF = Factor de aireación, típicamente es 0.5WH = altura del vertedero, en plgGPM = flujo de líquido del plato, en GPM.WL = longitud del vertedero en pulgadas

Ptotal = P plato seco + Phidráulico ( Normal de 4 a 6 mm Hg )

Pplato seco = K*( Dv / DL )* Vg2

Phidráulico = AF * WH +0.4*(GPM / WL)0.67

CAÍDA DE PRESIÓN DEL PLATO


CAÍDA DE PRESIÓN DEL PLATO


CAÍDA DE PRESIÓN DE PLATO SECO PLATO, Carta G


CAIDA DE PRESION DE PLATO SECO


Altura de la cresta = 0.4 ( GPM / longitud del vertedero)0.67

Velocidad de escape expresada en cabeza de líquido

H = 0.6 * V2

H : Altura del líquido en la bajante, en pulgadas, debido a la perdida de cabeza del liquido al fluir en el clearance

V : Componente horizontal de la velocidad del líquido en pies/seg cuando escapa de la bajante

PRESIONpsig

Llenado de la bajante, % de TS

Vacío a 300 50

Sup. a 300 33

MÁX. LLENADO DE LA BAJANTE

Llenado de la bajante

El llenado de la bajante es el resultado de :

La caída de presión del vapor que fluye a través de los platosLa altura del vertederoLa altura de la cresta del liquido que rebosa sobre el vertederoLa velocidad de escape del líquido desde la bajante al plato inferior


ANTI-JUMP BAFFLES PARA PLATOS DE MULTIPASO

Operaciones de alto requerimiento que tiene anti-jump baffles que se añaden en el centro o en el centro del bajante de paso de multipaso. Una discusión de la función , codiciones tales que requieren baffles, y el siguiente diseño mecánico. Estos cometarios aplican a todos los tipos de platos , plato de capucha, perforado, etc.

anti-jump baffles consiste en un plato metálico suspendido verticalmente bajo el centro y el centro de bajante de platps de multipaso.

El fondo del baffle es normalmente con la misma elevación con el alto de sobre flujo de los vertederos. El alto del baffle es de 11 a 20 pulgadas desde el puso del plato. El baffle es esencialmente igual en el largo del largo del vertedero pero no requiere impermeabilizar las uniones o el caparazón de la torre. Es noramlemente hecho en tres piezas, el centro estar en la mitad del camino.

Estos baffles han sido probado a través 3 ft de espesor por 6 ft de largo con un simulador de agua-aire son un éxito en servicio en 2000 columnas. Por la observación , la expansión del vapor en las bombas de la salida del vertedero. Con la suficiente altura del flujo de aire, llevando la trayectoria del liquido completamente sobre el bajante y en el lado opuesto del plato. En el plato fluye permanentemente debido al incremento del liquido de llenado, caudado por el ciclo del liquido a través de un lado del plato al final de otro. anti-jump baffles reflecta el liquido a través del bajante , como el cascaron de la torre cuando fluye hacia el lado del bajante. Los baffles son recomendados si la operación volumen cargado /area al limite de volumen cargado /area.

Donde el limite de volumen cargado /area= 0.336-0.0192 (CPM / WFP )

aquí hay otros factores los cuales pueden causar que los baffles sean requeridos.

SPLASH BAFFLES

Son normalmente recomendados si GPM/LWi son menores que 0.25. splash baffles pueden se de tipo picket-fence , pueden ser de metal extendiendo el cascaron al cacaron.

El sólido del baffle es paralelo y el localizado solo ante del vertedero de sobre flujo

Baffles sizing


Baffles sizing


Preliminary Sizing


Detailed Sizing


Especificaciones Mecánicas de Platos


Hoja de Cálculos de Especificaciones de Platos


Número de Platos Teóricos

El número de platos teóricos o etapas en el equilibrio en una columna o torre sólo depende de lo complicado de la separación que se va a llevar a cabo y sólo está determinado por el balance de materia y las consideraciones acerca del equilibrio.


Envolvente 1

• Balance de MasaIn = OutF = B + D• Balance de CalorIn = OutF HF + QH = DHD + BHB + QC

Envolvente 2

• Balance de MasaV3 + L0 = V1 + L2

• Balance de CalorV3 Hv

3 + L0 HL0 = V1 Hv

1 + L2 HL2

Envolvente 3

• Balance de MasaV5 + L3 = V4 + L4

• Balance de CalorV5 Hv

5 + L3 HL3 = V4 Hv

4 + L4 HL4

F

B

BALANCE DE MATERIA Y DE CALOR


FLUJO DE LIQUIDO ,REFLUJOS Y

CIRCULANTES

En la figura siguiente se muestran varios de los esquemas que se utilizan comúnmente para dirigir el flujo del líquido sobre los platos. El flujo inverso puede utilizarse en torres relativamente pequeñas, pero hasta ahora el rearreglo más común es el del plato de flujo transversal de un solo paso que se muestra en la figura b.

Para torres de diámetro grande, puede utilizarse el flujo radial o dividido, figura d, aunque se debe tratar de utilizar el plato de flujo transversal debido a su menor costo. Se han utilizado diseños de cascada con varios niveles, cada uno de los cuales posee su propio derramadero e pero su costo es considerable. Se han construido columnas comerciales hasta de 15 m (50 ft) de diámetro. Los platos de doble paso son comunes para diámetro de 3 a 6 m; hay platos de más pasos para diámetros mayores.


FLUJO DE LIQUIDO ,REFLUJOS Y

CIRCULANTES


Internals Arrangement Sizing

La capacidad máxima de un plato puede ser solo obtenida con un arreglo adecuado de las boquillas con respecto a los platos.

CAJA DE SELLO DE LA BAJANTE: Se usan para sellar las bajantes dell fondo de los platos y también cuando se presentan transiciones entre dos secciones que tiene diferentes números de pasos.

BOQUILLAS DE REHERVIDORES: Las boquillas de los tuberías de retorno de los rehervidores de termosifón se ubican lo más cerca posible a la caja de sello del plato y a una distancia tal que permita la separación de las fases

BOQUILLAS DE ENTRADA : La boquilla de entrada de la carga debe ubicarse fuera del downcomer del plato y no se requieren tuberías internas.

BOQUILLAS DE SALIDA LATERALES: La distancia entre los platos en donde se ubican estas salidas debe aumentarse en al menos un 60 % del espacio normal de los platos.

BOQUILLAS DE SALIDA DE SUMIDEROS CENTRALES (Fig. 5): El ancho de la inferior de la bajante y del sumidero deberán ser de 2” mayores del diámetro de la boquilla de salida

COLECTORES TOTALES SIN CAJA DE SELLO (Fig. 6): la boquilla de salida no deberá superar el vertedero de sello de la caja de sello del colector.

COLECTORES TOTALES CON CAJA DE SELLO DE LA BAJANTE (Fig. 7): La salida se ubica debajo de la caja de sello de la bajante, se usa cuando en transiciones en secciones de platos con diferentes número de pasos. La boquilla nunca se debe colocar sin la caja de sello


Internals Arrangement Sizing


Ejemplo de diseño

colunm and tray sizing1

Documents

lquido plato

platos superiores

platos ts

vapor a travs

plato superior

plato de abajorea

eficiencia de plato

plato inferior