En el procesamiento químico , un lecho empacado es un tubo , tubería u otro recipiente hueco que se llena con un material de empaque. El lecho empacado se puede llenar al azar con objetos pequeños como anillos de Raschig o puede ser un empaque estructurado diseñado específicamente . Los lechos empaquetados también pueden contener partículas de catalizador o adsorbentes tales como gránulos de zeolita, carbón activado granular, etc.
El propósito de un lecho empacado suele ser mejorar el contacto entre dos fases en un proceso químico o similar. Los lechos empacados se pueden usar en un reactor químico , un proceso de destilación o un depurador , pero los lechos empacados también se han usado para almacenar calor en plantas químicas. En este caso, se permite que los gases calientes escapen a través de un recipiente que está lleno de 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 la alimentación de aire o gas.
Un lecho empaquetado utilizado para realizar procesos de separación , como absorción , extracción y destilación, se conoce como columna empaquetada. [1] Las columnas utilizadas en ciertos tipos de cromatografía que consisten en un tubo lleno de material de relleno también pueden denominarse columnas empacadas y su estructura tiene similitudes con los lechos empacados.
El lecho de la columna se puede llenar con material de empaque vertido aleatoriamente (creando un lecho empacado aleatorio) o con secciones de empaque estructuradas , que están dispuestas de manera que obliguen a los fluidos a tomar caminos complicados a través del lecho (creando un lecho empacado estructurado). En la columna, los líquidos tienden a mojar la superficie del material de empaque y los vapores pasan a través de esta superficie mojada, donde tiene lugar la transferencia de masa . Se pueden utilizar materiales de relleno en lugar de platos para mejorar la separación en las columnas de destilación. El empaque ofrece la ventaja de una menor caída de presión a través de la columna (en comparación con placas o platos), lo cual es beneficioso cuando se opera bajo vacío. Los materiales de embalaje de diferentes formas tienen diferentes áreas de superficie y espacios vacíos entre el embalaje. Ambos factores afectan el rendimiento del embalaje.
Otro factor en el rendimiento, además de la forma del empaque y el área de superficie, es la distribución del líquido y el vapor que ingresa al lecho empacado. El número de etapas teóricas necesarias para realizar una separación determinada se calcula utilizando una proporción específica de vapor a líquido. Si el líquido y el vapor no se distribuyen uniformemente a lo largo del área superficial de la torre cuando ingresa al lecho empacado, la relación líquido a vapor no será correcta y no se logrará la separación requerida. Parecerá que el embalaje no funciona correctamente. La altura equivalente a una placa teórica (HETP) será mayor de lo esperado. El problema no es el empaque en sí sino la mala distribución de los fluidos que ingresan 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 en un lecho empacado es fundamental para que el empaque funcione con la máxima eficiencia.
Las columnas empaquetadas tienen una curva continua de equilibrio vapor-líquido, a diferencia de la destilación de platos convencional en la que cada plato representa un punto separado de equilibrio vapor-líquido. Sin embargo, al modelar columnas empacadas, es útil calcular una cantidad 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 teóricas necesarias y luego también se determina la altura de empaque equivalente a una etapa de equilibrio teórica , conocida como altura equivalente a una placa teórica (HETP). La altura total de embalaje requerida es el número de etapas teóricas multiplicado por el HETP.
Los reactores de lecho empaquetado son recipientes de reactor que contienen un lecho fijo de material catalítico , se utilizan ampliamente en la industria de procesos químicos y encuentran uso principal en reacciones catalíticas heterogéneas en fase gaseosa. Las ventajas de utilizar un reactor de lecho empaquetado 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 confiable 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 empaque y de cómo se gestiona el flujo. Se utilizan técnicas tomográficas como el infrarrojo cercano , rayos X , rayos gamma, capacitancia eléctrica y tomografía de resistencia eléctrica para cuantificar los patrones de distribución de líquidos en columnas empaquetadas; La elección de la técnica tomográfica depende de la medición principal de interés, la aleatoriedad del empaque, los requisitos de seguridad, la tasa de adquisición de datos deseada y el presupuesto. [4] [5] [6] [7] [8] [9]