En el procesamiento químico , un lecho empacado es un tubo hueco , caño u otro recipiente que se llena con un material de relleno. El lecho empacado puede llenarse aleatoriamente con objetos pequeños como anillos de Raschig o puede ser un relleno estructurado diseñado específicamente . Los lechos empacados también pueden contener partículas de catalizador o adsorbentes como gránulos de zeolita, carbón activado granular, etc.
El objetivo de un lecho empacado es, por lo general, mejorar el contacto entre dos fases en un proceso químico o similar. Los lechos empacados se pueden utilizar en un reactor químico , un proceso de destilación o un depurador , pero también se han utilizado para almacenar calor en plantas químicas. En este caso, se permite que los gases calientes escapen a través de un recipiente que está empacado con un material refractario hasta que el relleno esté caliente. Luego, se devuelve aire u otro gas frío a la planta a través del lecho caliente, precalentando así el aire o el gas de alimentación.
Un lecho empacado utilizado para realizar procesos de separación , como absorción , extracción y destilación , se conoce como columna empacada. [1] Las columnas utilizadas en ciertos tipos de cromatografía que consisten en un tubo lleno de material de relleno también se pueden llamar columnas empacadas y su estructura tiene similitudes con los lechos empacados.
El lecho de la columna se puede llenar con material de relleno vertido aleatoriamente (creando un lecho empacado aleatorio) o con secciones de relleno estructuradas , que están dispuestas de manera que fuerzan a los fluidos a tomar caminos complicados a través del lecho (creando un lecho empacado estructurado). En la columna, los líquidos tienden a humedecer la superficie del material de relleno y los vapores pasan a través de esta superficie humedecida, donde se produce la transferencia de masa . Se pueden utilizar materiales de relleno en lugar de bandejas para mejorar la separación en columnas de destilación. El relleno ofrece la ventaja de una menor caída de presión a lo largo de la columna (en comparación con las placas o bandejas), lo que es beneficioso cuando se opera al vacío. Los materiales de relleno de diferentes formas tienen diferentes áreas de superficie y espacio vacío entre el relleno. Ambos factores afectan el rendimiento del relleno.
Otro factor en el desempeño, además de la forma y área de superficie del empaque, es la distribución de líquido y vapor que entra al lecho empacado. El número de etapas teóricas requeridas para hacer una separación dada se calcula usando una relación específica de vapor a líquido. Si el líquido y el vapor no están distribuidos uniformemente a través del área superficial de la torre a medida que entran al lecho empacado, la relación de líquido a vapor no será correcta y no se logrará la separación requerida. El empaque parecerá no estar funcionando correctamente. La altura equivalente a un plato teórico (HETP) será mayor que la esperada. El problema no es el empaque en sí, sino la mala distribución de los fluidos que entran al lecho empacado. Estas columnas pueden contener distribuidores y redistribuidores de líquido que ayudan a distribuir el líquido uniformemente sobre una sección del empaque, aumentando la eficiencia de la transferencia de masa. [1] El diseño de los distribuidores de líquido utilizados para introducir la alimentación y el reflujo a un lecho empacado es fundamental para que el empaque funcione con la máxima eficiencia.
Las columnas empacadas tienen una curva de equilibrio de vapor continua, a diferencia de la destilación de platos convencional en la que cada plato representa un punto separado de equilibrio de vapor-líquido. Sin embargo, al modelar columnas empacadas, es útil calcular un número de platos teóricos para indicar la eficiencia de separación de la columna empacada con respecto a los platos más tradicionales. En el diseño, primero se determina el número de etapas de equilibrio teórico necesarias y luego también se determina la altura de empaquetamiento equivalente a una etapa de equilibrio teórico , conocida como altura equivalente a un plato teórico (HETP). La altura de empaquetamiento total requerida es el número de etapas teóricas multiplicado por la HETP.
Los reactores de lecho empacado son recipientes de reacción que contienen un lecho fijo de material catalítico , se utilizan ampliamente en la industria de procesos químicos y encuentran un uso principal en reacciones catalíticas heterogéneas en fase gaseosa. Las ventajas de utilizar un reactor de lecho empacado incluyen la alta conversión de reactivos por unidad de masa de catalizador, costos operativos relativamente bajos y operación continua. Las desventajas incluyen la presencia de gradientes térmicos en todo el lecho, un control deficiente de la temperatura y un mantenimiento difícil del reactor. [2]
La ecuación de Ergun se puede utilizar para predecir la caída de presión a lo largo de un lecho empacado dada la velocidad del fluido , el tamaño del empaque y la viscosidad y densidad del fluido.
La ecuación de Ergun, si bien es fiable para sistemas en la superficie de la Tierra, no lo es para predecir el comportamiento de sistemas en microgravedad. Actualmente se están realizando experimentos a bordo de la Estación Espacial Internacional para recopilar datos y desarrollar modelos fiables para reactores de lecho compacto en órbita. [3]
El rendimiento de un lecho empacado depende en gran medida del flujo de material a través de él, que a su vez depende del empaquetamiento y de cómo se gestiona el flujo. Las técnicas tomográficas, como la tomografía de infrarrojo cercano , rayos X , rayos gamma, capacitancia eléctrica y resistencia eléctrica , se utilizan para cuantificar los patrones de distribución de líquido en columnas empacadas; la elección de la técnica tomográfica depende de la medición principal de interés, la aleatoriedad del empaquetamiento, los requisitos de seguridad, la tasa de adquisición de datos deseada y el presupuesto. [4] [5] [6] [7] [8] [9]