empaques rev claudia

TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPECINGENIERÍA QUÍMICA MEMORIA DE RESIDENCIAS

Introducción

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1. INTRODUCCION

El objetivo de este proyecto de residencias profesionales fue diseñar y fabricar un metro lineal

de empaque estructurado tipo sándwich (12 empaques metálicos) de acero inoxidable para

construir una torre de destilación reactiva a escala de laboratorio. Estos empaques

estructurados servirán para implementar la síntesis de acetato de etilo a partir de alcohol

metílico y ácido acético un proceso de destilación reactiva.

El empaque metálico está construido con acero inoxidable de 0.02 in de grosor. La

construcción de estos empaques estructurados a nivel de laboratorio es laboriosa debido a

que no se dispone de la maquinaria adecuada para construirlos, por lo que se realizó el

trabajo de forma manual y para alcanzar el objetivo se utilizaron las siguientes maquinas-

herramientas: una dobladora, una prensa y una cortadora, estos accesorios se encuentran en

el taller de Ingeniería Mecánica del Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec.

.

Además de la construcción, se establecieron las ecuaciones relacionadas a la geometría del

empaque de manera que se pueda construir un empaque con características distintas de

acuerdo a las necesidades de cualquier torre de destilación.

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Datos generales del alumno

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1.1 DATOS GENERALES DEL ALUMNO

Nombre de la empresa:

Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec

Proyecto:

Diseño de una columna de destilación reactiva a escala de laboratorio: Construcción de

empaques estructurados

Fecha de inicio:

27 de septiembre 2012

Fecha de terminación:

01 de febrero 2013

Nombre del alumno:

Pérez Rivera Octaviano

Matricula: 201125001

Dirección:

Condominio 50, Mz. B, Lt. 31 Col. Tolotzin II. Cp. 55146, Estado de México. Ecatepec de

Morelos

Teléfono: 57778398

Carrera: Ingeniería Química

Asesor TESE:

Dr. Miguel Ángel Vaca Hernández

Cargo (Asesor):Página | 4


Profesor Titular, División de Ingeniería Química y Bioquímica

Datos generales de la empresa

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1.2 DATOS GENERALES DE LA EMPRESA

Nombre de la empresa:

Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec

Sector:

Educativo

Servicio que ofrece:

Enseñanza a nivel Superior

Dirección:

Av. Tecnológico s/n Esq. Av. Carlos Hank González Col. Valle de Anáhuac C.P. 55210,

Ecatepec Estado de México

Proyecto:

Diseño de una torre de destilación reactiva a escala de laboratorio: Construcción de

empaques estructurados

Asesor de la empresa:

Dr. Martin Cruz Díaz

(FESC- TESE)

Cargo (ASESOR):

Profesor curricular, División de Ingeniería Química y Bioquímica

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Antecedentes de la empresa

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1.3 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA

El Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec (TESE), es un Organismo Público

Descentralizado del Estado de México, ubicado en el Municipio de Ecatepec de Morelos, el

cual, a 22 años de actividades, ha logrado figurar entre las mejores instituciones de educación

superior de la zona metropolitana.

Una prueba de ello, es la distinción que en ocho ocasiones consecutivas, desde el 2004 al

2012, ha recibido de parte del Gobierno Federal, a través de la Secretaria de Educación

Pública, por contar con programas académicos de calidad certificada, en las carreras que

imparte1.

1 TESE. (2010). Reseña Histórica. 2014, Sitio web: http://www.tese.edu.mx/tese2010/loader.aspx?n=1X8V09MOSN

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Descripción de la empresa

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1.4 DESCRIPCION DE LA EMPRESA

Opera mediante el financiamiento de los Gobiernos-Federal y Estatal, así como por la

generación de recursos propios. Pertenece al Subsistema de Institutos Tecnológicos

Descentralizados de la SEP.

En sus instalaciones se forman los profesionales que requieren los sectores productivo y de

servicios y es mediante la acreditación externa, como se logra fortalecer la cultura de

evaluación, lo cual contribuye a encarar los retos que marca la competitividad mundial.

En la actualidad, proporciona enseñanza superior en nueve ingenierías, dos licenciaturas, un

Contador Público y cuatro posgrados.

MISIÓN

Ofrecer educación superior integral y de calidad a través de programas de docencia,

investigación y extensión; un Modelo Académico Educativo basado en valores y en desarrollo

de competencias; programas acreditados, procesos y egresados certificados, para satisfacer

las necesidades de los sectores, con el objeto de contribuir al desarrollo de la región, del

estado y del país.

VISIÓN

El Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec se concibe como la institución de

educación superior de mayo nivel vanguardista, con prestigio nacional e internacional,

competitiva en docencia, investigación, extensión y funciones de apoyo, con resultados de

excelencia para los sectores que atiende.

Nuestros egresados se forman con valores y competencias, obteniendo así calidad y

competitividad que les permitan incorporarse al mundo laboral para beneficio propio, de la

organización y de la sociedad, pero sobre todo, contribuyendo eficientemente en la solución

de problemas, la sustentabilidad y los avances tecnológicos2.

2 TESE. (2010). Misión y Visión. 2014, Sitio web: http://www.tese.edu.mx/tese2010/loader.aspx?n=JBBRU7JMY

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http://www.tese.edu.mx/tese2010/loader.aspx?n=JBBRU7JMY


FILOSOFÍA

“La calidad de la educación es nuestra prioridad”

VALORES

Profesionalismo, honestidad, ética, responsabilidad

El Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec ha cambiado la oferta de licenciaturas debido al

cambio en las necesidades del campo laboral. En la actualidad esta Institución Educativa ofrece a la

sociedad mexiquense las siguientes carreras:

Ingeniería en Sistemas Computacionales

Ingeniería Industrial

Ingeniería Química

Ingeniería Electrónica

Ingeniería Bioquímica

Ingeniería Mecatrónica

Contador Público

Ingeniería Mecánica

Ingeniería Gestión Empresarial

Ingeniería Informática

Ingeniería Aeronáutica

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ORGANIGRAMA

TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

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Descripción del área donde

se realizó la residencia profesional

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1.5 DESCRIPCCION DONDE SE DESARROLLO LA RESIDENCIA PROFESIONAL

DEPARTAMENTO:

División de Ingeniería Química y Bioquímica

OBJETIVO:

Planear, organizar, dirigir, ejecutar, controlar y evaluar las actividades académicas de

docencias, de investigación y de vinculación de la división de Ingeniería Química y

Bioquímica, a fin de formar profesionistas con capacidad crítica y analítica.

FUNCIONES:

Colaborar con el diseño y aplicación de los planes y programas de estudio, de

licenciatura y posgrado, cumpliendo con los requerimientos de calidad, suficiencia,

vigencia y sentido de investigación

Analizar y actualizar los contenidos temáticos de los programas de estudios,

incorporando los avances científicos y tecnológicos para atender las necesidades de

la región

Promover y vigilar el desarrollo de programas y proyectos de investigación científica

y tecnológica, sobre temas específicos de interés regional, estatal y nacional

Programar, organizar y controlar el uso de talleres, laboratorios y equipos, así como

supervisar su programa de mantenimiento

Planear y establecer los horarios de clase, calendarios de exámenes, calendarios

de reuniones académicas, programas de residencias profesionales, tutorías y

asesorías

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ORGANIGRAMA DEL AREA DONDE SE REALIZARON LAS RESIDENCIAS PROFESIONALES

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Problemática

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1.6 PROBLEMÁTICA

El alto rendimiento de los empaques estructurados ha sido puesto a prueba desde su llegada

al mercado hace más de diez años. Los empaques estructurados bien llamados “structured

packing” han ahorrado un gran capital en los procesos de destilación reactiva, así como en los

costos de operación de los mismos.

La geometría de los empaques estructurados es variada y en ciertos diseños se puede decir

que compleja, sin embargo las empresas dedicadas al diseño y su construcción tales como

Sulzer Chemtech S. de R.L. de C.V. tienen a disposición del cliente sus modelos:

Mellapak

MellapakPlus

La construcción de los empaques estructurados a nivel de laboratorio es tardada, es decir se

requieren de 10 horas aproximadamente por empaque si se dispone de las herramientas y/o

el equipo adecuado para realizar el trabajo de corte, doblado perforación etc. La construcción

del empaque se realiza sin la manipulación de algún equipo de tipo automático.

Se necesitan las herramientas de dobladora, cortadora, perforadora para poder cumplir con la

tarea de construir 12 empaques metálicos de acero inoxidable de los cuales solo 8 empaques

metálicos con una altura de 11 cm van a ser colocados dentro de una columna de destilación

reactiva a escala de laboratorio con un diámetro interno de 5 cm y con una altura aproximada

de 1 m de altura.

Los 4 empaque metálicos sobrantes quedan de reserva por si alguno de los empaques que

sean utilizados en la columna de destilación reactiva sufre algún desgaste o necesita ser

remplazado.

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Justificación

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1.7 JUSTIFICACIÓN

Dentro de una columna de destilación debe existir la suficiente transferencia de masa entre la

fase gaseosa y la fase liquida y un mezclado radial que garantice el completo mojado de las

bolsas con catalizador (empaque estructurado catalítico), además de los numerosos orificios

que contiene cada empaque, lo que permite una velocidad alta de vapor y una velocidad baja

de líquido dentro de la estructura. Los empaques estructurados deben tener una geometría

abierta o un diseño abierto para permitir un contacto eficiente entre las fases fluidas vapor y

líquido.

En las residencias profesionales se construyeron 12 empaques estructurados de acero

inoxidable de una altura de 11 cm y de un diámetro de 4.5 cm para una columna de

destilación reactiva escala laboratorio (1m de altura y un diámetro interno de 5 cm). Solo 8

empaques irán colocados en el interior de la columna de destilación reactiva a escala de

laboratorio.

.

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Objetivos

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1.8 OBJETIVO GENERAL

Construir 12 empaques metálicos estructurados para una columna de destilación reactiva a

escala de laboratorio con dimensiones de 11 cm de altura y de 4.5 de diámetro nominal para

una columna de destilación de 1 m de altura y un diámetro interno de 5 cm.

De los empaques construidos 8 unidades irán colocadas en el interior de la columna de

destilación reactiva y los restantes quedan como unidades de remplazo.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Realizar un modelo geométrico que permita realizar un modelo a escala de los

empaques estructurados, de tal forma que las láminas corrugadas tengan un ángulo

determinado, de forma que el empaque final tenga una altura de 11 cm y un

diámetro total de 4.5 cm

Realizar las plantillas de las láminas que conformaran el empaque con las medidas

específicas que se obtuvieron en el cálculo anterior, que en este caso serán diez

láminas o cinco pares de láminas con las mismas medidas

Delinear los cortes que se harán en la lámina, cortar, perforar y corrugar las láminas

con las herramientas adecuadas para este fin

Armar las láminas tomando de mayor a menor y contraponiéndola con otro armado

del mismo tipo pero en sentido contrario y ajustar el armado con una malla metálica

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Marco conceptual

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2.1 DESTILACION REACTIVA

La destilación reactiva es un proceso mediante el cual se realiza una reacción química y la

separación simultanea de los componentes por medio de destilación en solo equipo, lo que

ahorra materiales y energía.

Este tipo de procesos son muy utilizados en la separación de componentes producidos en la

esterificación, reacciones de hidrólisis o reacciones donde el equilibrio limitada el avance de la

conversión de reactivos. Por lo tanto, el proceso de reacción-separación se convierte en la

opción más viable para el ahorro de recursos y, que genera a su vez, una rentabilidad a un

plazo determinado mediante una modificación de las posibilidades termodinámicas que posee

el sistema.

La extracción reactiva3, la adsorción4 y absorción reactiva5 y la destilación reactiva (figura 1),

son ejemplos de procesos simultáneos heterogéneos.

FIGURA 1. Destilación reactiva y zonas de operación

3 La extracción reactiva involucra procesos de extracción líquido-líquido y reacción simultánea.4 La adsorción de moléculas de una fase fluida (líquido o gas) sobre la superficie de un sólido donde hay una reacción química.5 Proceso donde una solución selectiva de gases en un solvente líquido es combinado con reacciones químicas.

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2.1.2 ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LA DESTILACIÓN REACTIVA

El concepto de destilación reactiva no es nuevo, habiéndose aplicado en procesos de

esterificación desde 1920.

Estas operaciones de destilación y reacción combinadas permiten obtener conversiones

mayores de las que se obtendrían en procesos de reacción y destilación por separado, es

decir, en un proceso químico convencional logrando así un desplazamiento del equilibrio

debido a la separación continua de los productos aplicando así una ley muy conocida en el

área de procesos conocida como principio de Chatelier6.

Backhaus7 obtuvo la primera de una serie de patentes en el año de 1920 describiendo la

operación de la destilación reactiva para la obtención de esteres. Años después de la

propuesta de Backhaus (Leyes and Othmer, 1945) propusieron un procedimiento para calcular

columnas reactivas en estado estacionario. Como ejemplo analizaron el proceso de obtención

del acetato de butilo.

(Berman et. al., 1948) estudiaron la producción continúa de ftalato de dibutilo, utilizando ácido

sulfúrico como catalizador homogéneo en una columna de destilación en modo continuo.

En la actualidad se ha hecho un esfuerzo por encontrar nuevos métodos que faciliten la

obtención de compuestos en la Industria Química que ahorren energía y tiempos de

producción del producto final.

6 Henri-Louis Le Châtelier (1850-1936), químico industrial francés.

7 Backhaus, A. A. Continuous Process for the Manufacture of steres. 1, 400, 849. US, Diciembre de 1921.

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http://es.wikipedia.org/wiki/Francia

http://es.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%ADmico

http://es.wikipedia.org/wiki/1936

http://es.wikipedia.org/wiki/1850

http://es.wikipedia.org/wiki/Henri-Louis_Le_Ch%C3%A2telier


2.1.3 CONSIDERACIONES SOBRE LA DESTILACIÓN REACTIVA

Es interesante las comparaciones que se pueden hacer entre la destilación convencional y la

destilación reactiva ya que es irónico que desde los años 20’s que fue el primer proceso de

aplicación sobre la destilación reactiva, la industria haya tardado tanto en hacer uso de sus

ventajas a nivel industrial.

Las condiciones de operación de la destilación reactiva para que el proceso sea óptimo y

rentable se mencionan a continuación:

Las mezclas de los compuestos deben tener características químicas similares

Se obtienen valores altos en las conversiones cuando el producto final tiene un valor

de volatilidad más alto que los reactantes

La volatilidad de los reactantes no debe ser alterada significativamente en los

cambios de fase

La presión de operación dentro de la columna de destilación reactiva debe ser

moderada aproximadamente a presión atmosférica

Las ventajas que podemos encontrar en este proceso de destilación reactiva son:

Disminución del precio de los equipos

Mayor rendimiento en las reacciones

Aprovechamiento del calor de reacción

Mejora la selectividad de la reacción y evita la formación de subproductos

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2.1.4 EJEMPLO DE APLICACIÓN DE LA DESTILACIÓN REACTIVA

Como se mencionó anteriormente la destilación reactiva favorece la obtención del producto

final cuando este posee un punto de ebullición más bajo, provocando una evaporación casi

inmediata de la mezcla de reacción en estado líquido. Como ejemplo tenemos la producción

de acetato de metilo:

CH 3COOH+CH 3OH ↔k 2k 1 CH 3COOCH 3+H 2O

Se tienen los valores de presión de vapor para los productos de reacción como son el acetato

de metilo con 21.7 kpa y agua con una presión de vapor de 2.3 kpa.

Si se elimina continuamente el producto final de la reacción, es decir, el producto con una

presión de vapor mayor, lo que significa que el acetato de metilo se evapora inmediatamente

de la mezcla líquida reactante lo que genera que el equilibrio de la reacción se desplace hacia

la derecha lo que provocara más producción de acetato de metilo hasta el final.

Otra de las características de este proceso de destilación reactiva y que vale la pena

mencionarlo aquí es que la zona de reacción se llevara a cabo en la zona central de la

columna de destilación, mientras que en los extremos de la columna se llevara a cabo la

separación de los productos tanto en la parte superior como en la parte inferior y dependerá

de las densidades correspondientes.

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2.3 APLICACIÓN INDUSTRIAL

En las industrias de procesos químicos, las reacciones químicas y la separación de los

productos deseados se efectúan en forma secuencial, en la mayoría de los casos esto implica

un alto costo para la las industrias debido a las grandes cantidades de energía que son

desperdiciadas, este problema puede ser mejorado de manera importante utilizando el

proceso de destilación reactiva.

Debido a que la reconcentración de reactivos y el retiro constante de los productos permiten

que se alcance una conversión superior a la del equilibrio químico, semejante a lo que ocurre

en un reactor con recirculación, solo que en este caso se acopla la reacción y la separación en

un solo equipo.

Al tratarse de un proceso simultáneo reacción-separación, la destilación-reactiva es una

tecnología usada generalmente en reacciones que se ven limitadas por el equilibrio químico,

tales como:

Esterificación

Trans-esterificación

Hidrólisis

Alquilación

Aminación

Nitración

Isomerización

Oligomerización

Hidrodesulfuración de fracciones de petróleo

Síntesis de MTBE (Metil ter-butil éter)

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2.4 EMPAQUES ESTRUCTURADOS

Sobre la base de los empaques catalíticos estructurados y aleatorios, dos diferentes técnicas

han sido establecidas. La primera técnica es el recubrimiento catalítico de los empaques o

bien su manufactura desde el material catalítico.

El segundo método es la inmovilización del catalizador granular en bolsas como parte implícita

de los empaques estructurados. Para una técnica posterior, la catálisis granular puede ser

usado por el fabricante de empaques, mientras que el procedimiento de recubrimiento, que es

en muchos casos bastante complejo y el soporte de los proveedores del catalizador se hacen

necesarios.

El empaque estructurado catalítico está construido con placas de acero inoxidable o termo-

polímero con dobleces a un ángulo determinado y cada placa esta sobrepuesta a otra con los

dobleces invertidos y dentro de estas placas se coloca el catalizador granular.

Los empaques estructurados combinan los beneficios de las modernas técnicas de

construcción de empaques así como las bajas caídas de presión que se pueden manejar en

ellas y a alto vacío, ofreciendo las ventajas de la catálisis heterogénea.

Comparado con los convencionales empaques estructurados no reactivos, la superficie

específica es moderada. La caída de presión es baja para todos los cuatro tipos de

empaques, sin embargo a escala de laboratorio el área específica y la eficiencia de

separación son similares a otras construcciones comerciales.

Entre las construcciones de empaques estructurados con catalizadores granulares fijos en su

interior están los más representativos como katapak® y multipak®.

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2.4.1 PROPIEDADES DE LOS EMPAQUES ESTRUCTURADOS

Una de las versiones más recientes de los empaques estructurados modernos fue el empaque

Panapak (Corporación Panamericana de Refinado) descrito por Scofield en 1950. Este

empaque fue formado a partir de capas de listones metálicos que fueron corrugados de tal

manera que se formaba una especie estructurada en forma de panal. En una columna de

refinado al vacío, el empaque Panapak produjo solo el 12% de caída de presión del capuchón

de burbuja que está en el plato, que ha sido usado a través de 25 años hasta la actualidad.

Aunque el uso de empaques construidos con malla de metálica con intersticios más grandes y

otro empaque hecho de malla con los intersticios más pequeños han sido usados por muchos

años en la destilación donde un bajo valor de HETP (Height Equivalent Theorical Plate) fue

necesitado donde estas aplicaciones al principio fueron limitadas al pequeño diámetro de las

columnas

Un empaque con un tramado hecho de malla metálica que fue ordenado en filas con los

elementos corrugados del empaque arreglados verticalmente fue desarrollado en los años 60

en Suiza. Billet et al. Publicaron los datos del rendimiento del empaque estructurado de

Sulzer, modelo BX (marca registrada de los hnos. Sulzer) en 1969. Esta investigación

encontró que el valor de HETP del empacado se incrementó con el incremento de la carga de

vapor. Normalmente el empaque ofreció una caída de vapor de solo 0.07 in H2O (17.4 Pa) por

etapa teórica cuando opero a un 50% de su máxima capacidad. En 1985 Bravo et al.

describió la las características de la transferencia de masa para este empaque.

Subsecuentemente, otro empaque estructurado hecho con red metálica, como el empaque

Intalox de malla Gauze (marca registrada de Norton Chemical Process Products) ha sido

desarrollado. La siguiente figura muestra el valor de HETP para el empaque Intalox de malla

Gauze en dos destilaciones al vacío que fueron manejados a una presión absoluta de 50

mmHg.

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La prueba posterior y última que se realizo fue a una presión absoluta de 100 mmHg. Sin

embargo el alto costo de los empaques ha limitado la generalización de su uso para aquellas

separaciones que son muy demandantes y que operan al alto vacío o los procesos en donde

se requiere un gran número de etapas teóricas.

En 1970 el empaque estructurado a partir de hojas metálicas fue desarrollado para reducir los

altos costos que generaba el empaque de malla Gauze (gaza metálica). Este empaque fue

manufacturado a partir de una delgada hoja metálica que era doblada a un ángulo de 45° con

respecto a la horizontal y ensamblado alternativamente para que las láminas no embonaran

entre sí. Meier et al. en 1977 hizo una observación acerca del empaque Mellapak 250Y

(Desarrollado por los hnos. Sulzer), con alrededor de una profundidad de corrugado de 0.50 in

(12.7 mm) proveería una superficie de 76 pie2/pie3 (249.34 m2/m3). Si la profundidad de

corrugado fuera de 0.25 in (6.35 mm), la superficie de contacto seria el doble. Por otro lado, si

la profundidad de corrugado fuera incrementado a 1.0 in (25.4 mm), la superficie de contacto

seria reducida en un 50%.

Estas características del empaque estructurado lo hacen idóneo especialmente para usarse

en destilaciones al vacío donde el tamaño de la columna es controlado por un valor grande del

gradiente de la caída de presión por etapa teórica. Desde ese entonces los empaques

estructurados han encontrado un incremento en su aplicación en los procesos con vacío y

presiones absolutas menores a 5 mmHg. Sin embargo los empaques estructurados también

son usados a presión atmosférica y a altas presiones en procesos de destilación cuando su

capacidad o eficiencia son superiores a los empaques aleatorios.

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FIGURA 2. Eficiencia del empaque Intalox® malla Gauze (gaza metálica).

2.4.2 CARACTERISTICAS DE LA SUPERFICIE DE CONTACTO DEL EMPAQUE

Los empaques estructurados de gaza metálica son humedecidos por la acción capilar, que

permite una pequeña cantidad de líquido se esparce hacia afuera como una delgada y

uniforme película. Los empaques ofrecen el 100% de su geometría superficial para la

transferencia de materia que se lleva a cabo.

Un gran número de variaciones sobre la superficie de contacto ha sido desarrollado para el

empaque metálico en una prueba para aumentar la superficie de contacto del metal. Las

pruebas del laboratorio usando oxígeno puro y gases como el bióxido de carbono absorbido

en agua y etanol, midieron las velocidades de la transferencia de masa y las áreas

interfaciales de los empaques de acero inoxidable de varios fabricantes.

La figura 3a y 3b muestran los coeficientes de transferencia de masa de la película liquida

obtenidos de las siguientes características de superficie de contacto:

DE es un relieve profundo (Empaque Estructurado Intalox)

LP son perforaciones con y sin pestañas en el metal

LU solo tiene perforación con pestaña

GU es un relieve superficial

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Los diferentes tipos de superficies mencionados exhibirán una mejor transferencia de

masa que una superficie no perforada de un empaque hecho de malla metálica (GU).

Estos experimentos indican que la transferencia de masa es mejorada a través del

incremento de la turbulencia en la película del líquido.

FIGURA 3A. Absorción de oxígeno en el agua adherida

en las hojas metálicas del empaque.

FIGURA 3B. Absorción de CO2 en la textura de etanol sobre

las hojas metálicas del empaque (Datos de McGlamery).Página | 32


2.4.3 CAIDA DE PRESION

En la figura 4 se ilustra una sección del empaque Intalox 2T para usarse en columnas de

pequeño diámetro. Al igual que los empaques aleatorios, para los empaques estructurados la

caída de presión es determinada usando un sistema de aire a presión atmosférica y

temperatura ambiente.

FIGURA 4. Empaque estructurado Intalox metálico.

La figura 5 muestra los distintos valores para la caída de presión (∆P) contra los valores del

factor F para un empaque Intalox 2T.

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FIGURA 5. Caída de presión del empaque Intalox 2T.

Un método muy general ha sido desarrollado por Bravo et al. para predecir la caída de presión

para empaques estructurados. Su ecuación que predice el valor de ∆P es:

∆ P=0.193 f ∙ ρG ∙ ve

2

DPgc [ 11−ht ]

5

(A)

Donde f es el factor de fricción. La caída de presión en el empaque estructurado debe ser

pequeña pues así se garantiza un mayor flujo de gas dentro de la columna.

2.4.4 PROPIEDADES DEL EMPAQUE ESTRUCTURADO DEBIDO A SU GEOMETRIA

Los empaques estructurados comerciales de hoja metálica están disponibles y ofrecidos por

un gran número de fabricantes. Generalmente estos empaques son fabricados en tamaños

que proporcionan áreas de contacto desde 160 ft2/ft3 que sería el valor más alto hasta valores

que rondan los 25 ft2/ft3 como el más bajo. Obviamente los empaques con valores pequeños

en la caída de presión tendrán una mayor eficiencia para valores pequeños del valor de

HETP, pero una alta caída de presión en comparación con los empaques de mayor tamaño.

Aunque se tiene por ejemplo, el empaque Sulzer BX de gaza metálica o malla gauze que tiene

un ángulo de corrugado de 60° con respecto a la horizontal, casi todos los empaque

estructurados tienen en sus hojas metálicas o no metálicas un ángulo de corrugado de 45°.

Ángulos mayores de 45° de corrugado han sido diseñados y puestos a la venta, pero con un

éxito comercial limitado.

Con respecto al corrugado el fluido y vapor fluyen a través del lecho empacado que está

extendido sobre varios pisos o niveles dentro de la columna. Durante la instalación se colocan

con las caras opuestas del corrugado para formar el lecho empacado. El propósito de este

acomodo es el de propiciar una extensión uniforme de vapor y liquido en todos los planos a

través del lecho empacado. Las perforaciones permiten que un porcentaje muy pequeño del

flujo total fluyan a través de estos para mejorar el contacto entre las fases liquida y vapor.

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2.5 MARCAS COMERCIALES DE EMPAQUES ESTRUCTURADOS

Anteriormente se mencionó las marcas comerciales de empaques estructurados como son

Katapak® y Multipak®, sin embargo existen un sinfín de marcas o modelos de empaques

estructurados y con diferentes características de manufactura así como de materiales

empleados.

Se tienen los siguientes modelos de empaques:

Empaques para laboratorio (Laboratory packing)

Mellapak®

Mellapak plus®

Mellacarbon®

Mellagrid®

Rombopak

Gauze packings metálico (Metal gauze packing )

Gauze packings de plástico (Plastic gauze packing)

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2.6 CARACTERISTICAS DE EMPAQUES ESTRUCTURADOS COMERCIALES

Cada uno de estos empaques estructurados cumple con unas condiciones bien definidas para

el tipo de reacción-separación que se pretende realizar en el proceso con las siguientes

características que se mencionaran en el siguiente apartado.

2.6.1 EMPAQUES ESTRUCTURADOS DE LABORATORIO (LABORATORY PACKINGS)

Los empaques estructurados estándar son altamente adecuados para usarse en las columnas

a escala de laboratorio cuando tengan de diámetro máximo de columna de 50 mm.

Usos recomendados:

Columnas a escala de laboratorio de 20 mm a 80 mm de diámetro

Presiones menores desde 1 mbar(100 Pa)

Un elevado número de platos teóricos es requerido (tipos DX y EX)

Evaluación preliminar de una prueba de separación

FIGURA 6A. Laboratory packing

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Se muestra a continuación las tablas de eficiencia del empaque de laboratorio:

FIGURA 6B. Eficiencia de separación y caída de presión del empaque.

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2.6.2 EMPAQUE MELLAPAK 250.Y/X

Mellapak es el empaque estructurado más ampliamente usado en el mundo. Provee de un

excelente rendimiento para diámetros de columna hasta 15 m. Esta construido con hojas de

acero inoxidable con un espesor desde los 0.1 mm.

Las principales ventajas de este modelo de empaque son:

Caídas de presión por plato teórico de 0.3-1.0 mbar (30-100 Pa)

Caída de presión en el 70-80% de inundación hacia 2 mbar/m (200 Pa/m)

Carga de líquido mínimo aprox. 0.2 m3/m2h

Carga de líquido máximo, hasta un valor igual o mayor a 200 m3/m2h (típicamente en

columnas de absorción)

Presión moderada o baja

Aplicaciones estándar en la separación de ciclohexanona-ol, aire, en vacío y en

columnas a presión atmosférica, absorción, etc.

FIGURA 7A. Empaque Mellapak 250.Y/X

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Las propiedades del empaque Mellapak de Sulzer son:

FIGURA 7B. Eficiencia de separación y caída de presión del empaque Mellapak 250.Y/X

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2.6.3 EMPAQUE MELLAPAK PLUS

Este tipo de empaque según sus fabricantes, es parte de una nueva generación de

empaques estructurados que combina todas las ventajas que tiene la hoja metálica del

empaque Mellapak con nuevas características de tipo geométrico.

Desde la parte más baja hasta la parte más alta de cada elemento del empaque la orientación

del corrugado se dirige hacia el eje vertical, es decir, el ángulo de doblez inicia con un valor

determinado y este va disminuyendo por cada mm de altura del empaque.

Las ventajas de este diseño de corrugado son las siguientes:

El vapor que fluye suavemente cambia e dirección en la interface entre dos

elementos de empaque

En la interface de vapor el flujo es cercanamente paralelo al eje vertical de la

columna

La velocidad del gas es reducida hasta en un 25% comparada con la velocidad de

entrada en el elemento de empaque

FIGURA 8A. Geometría del corrugado del empaque Mellapak plus.

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Estos factores reducen la caída de presión y los esfuerzos cortantes, que son especialmente

críticos en la interface debido a la presencia de más gruesas y menos estables películas de

líquido.

En la parte interior del elemento de empaque del diseño geométrico del Mellapak plus y del

Mellapak son idénticos, por lo tanto la eficiencia de separación es similar, pero con un

significativo aumento de capacidad y una reducción en la caída de presión.

FIGURA 8B. Eficiencia de separación y caída de presión para MP 252.Y y 250.Y/X.

Página | 41


2.6.4 EMPAQUE MELLACARBON

Es un empaque estructurado hecho a base de carbón puro que no reacciona con la mayoría

de los solventes, ácidos o lejías. Además se tienen las siguientes características:

Anticorrosión en contra de las soluciones causticas, anti-oxidación ante ácidos

inorgánicos incluyendo el ácido clorhídrico y ácidos carboxílicos.

Área específica de 125 a 1700 m2/m3

Una alta estabilidad térmica (>400 °C)

Excelente humectación, así como en sistemas acuosos

Producción de HCl y recuperación (en la producción de policarbonato)

Destilación MCA y DCA

Producción de ácido fosfórico

Concentrado de ácido fluorhídrico

Separación de cloro-fenoles

FIGURA 9A. Empaque Mellacarbon.

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En resumen, este modelo de empaque está diseñado para ser usado en aquellos procesos

químicos de separación donde las sustancias usadas son demasiado acidas o alcalinas y

donde el empaque estructurado de metal no puede ser utilizado.

FIGURA 9B. Eficiencia de separación y caída depresión para el empaque Mellacarbon.

Página | 43


2.6.5 EMPAQUE MELLAGRID

Con el modelo Mellagrid se combina la eficiencia de los empaques estructurados con la

resistencia mecánica de una malla.

Cuando se esté buscando en un empaque que resista estos embates de esfuerzos exteriores

y sobre todo cuando la generación de coque esta por ocurrir, este tipo de modelo es ideal para

batallar con estos esfuerzos durante el proceso de separación.

Las características de este empaque son las siguientes:

No es sensible al coque o al ensuciamiento por otros agentes debido a su suave

superficie y estructura geométrica

Cuenta con una eficiente disipación de temperatura

Estructura mecánicamente robusta

El diseño de la estructura del empaque permite una fácil limpieza y la suciedad

puede ser removida desarmando y limpiando con un chorro de agua

FIGURA 10A. Geometría del corrugado del empaque Mellagrid.

Página | 44


En general este diseño de empaque es utilizado para procesos a presión atmosférica o vacío.

FIGURA 10B. Capacidad de carga y caída de presión del empaque Mellagrid.

Página | 45


2.6.6 EMPAQUE ROMBOPAK

Es la única estructura abierta que ha sido específicamente desarrollada para procesos de

destilación ambiciosos de la industria química de alta gama. Ha sido ampliamente usado en

diversas aplicaciones y se ha llegado a establecer como una buena opción en la industria

farmacéutica y especialmente en la industria química.

Las características especiales de este modelo de empaque son:

Estructura tipo rejilla donde la superficie está diseñada y construida con un largo

número de laminillas aerodinámicas

Efecto de única distribución por el líquido y una buena distribución en la fase vapor

Área superficial maximizada por el vapor que fluye a través del empaque resultando

en una reducción de la caída de presión

El rendimiento de la constante de separación es independiente de la carga de vapor

El diámetro para una columna piloto está disponible a partir de 28 mm

Tiene una alta capacidad y el diseño del empaque para caídas de presión menores

Empaque diseñado para la obtención de alta pureza en productos farmacéuticos y

químicos

Su diseño permite en los procesos químicos la obtención de solventes

FIGURA 11A. Geometría del corrugado del empaque Rombopak.

Página | 46


Tiene un buen rendimiento en la interacción sustancias viscosas así como su adaptabilidad en

el diseño de empaque para columnas en una planta piloto o plantas de menor capacidad y

una adecuada validación en GMP para procesos reglamentados.

FIGURA 11B. Eficiencia de separación y caída de presión para el empaque Rombopak.

Página | 47


2.6.7 EMPAQUE GAUZE METALICO

Este empaque ha sido exitosamente usado en la industria por más de 40 años y el diámetro

más grande fabricado a la fecha es de 6 m. Las características especiales de este empaque

es que requiere un número largo de platos teóricos así como la adaptabilidad en procesos

donde se necesita trabajar con presiones negativas desde 1 mbar (100 Pa).

Las principales ventajas de este modelo son:

Caídas de presión por plato teórico son del orden de 0.1-0.5 mbar (10-50 pa)

Mayor economía en el valor de carga:

Factor F 1-2.52√Pa

Carga de líquido mínimo aprox. 0.05 m2/m3h

Menor mantenimiento

Uso en columnas batch y continuas

Para la obtención de monómeros (MDI, DMT, etc.)

Para la obtención de ácidos grasos, alcoholes grasos, etc.

FIGURA 12A. Empaque Gauze metálico.

Página | 48


Con respecto al modelo BXPlus se puede decir que es un nuevo desarrollo del bien probado

empaque Gauze BX. Su geometría es similar a MellapakPlus, sin embargo el modelo de

empaque BXPlus ofrece la misma eficiencia como el modelo BX pero con una caída de

presión más baja en 20%. Es recomendado para destilaciones ligeras y altas capacidades.

FIGURA 12B. Eficiencia de separación y caída de presión para el empaque Gauze.

Página | 49


2.6.8 EMPAQUE GAUZE DE PLASTICO

Ha sido usado en la industria por muchos años con gran éxito. La estructura especial de

Gauze provee una muy buena humectabilidad incluso en sistemas acuosos. Este empaque es

usado principalmente en columnas con cargas pequeñas de líquido. Las principales

aplicaciones de este empaque son en los absorbedores para obtener metanol, isopropanol,

Dimetilformamida y formaldehido.

Las cualidades del empaque en plástico son:

Valor alto de la unidad de transferencia por metro y bajo HTU, dependiendo del

sistema

Caída de presión mínima, 2-4 mbar/m (200-400 Pa/m)

Carga mínima de líquido aprox. 0.05 m3/m2h

Superficie del empaque auto humectante incluso para soluciones acuosas

Temperatura de operación hasta 80 °C, dependiendo de los componentes químicos

FIGURA 13A. Empaque Gauze de plástico.

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Este empaque está enfocado a columnas con poca altura, es decir el número de platos

teóricos está limitado.

FIGURA 13B. Eficiencia de separación y caída de presión del empaque Gauze de plástico.

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Metodología

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Capítulo 3

METODOLOGIA

En el tiempo en que se llevó a cabo las residencias profesionales se enfocó la atención en la

construcción de los empaques metálicos estructurados para una columna a escala de

laboratorio con diámetro interior de 0.05 m y 1 m de alto. Se necesitaron construir 12

empaques estructurados de acero inoxidable con las siguientes características:

corrugación de láminas a un ángulo de 45° con respecto a la horizontal

Empaque construido a partir de 10 láminas corrugadas acopladas en sentido

contrario al ángulo de corrugado

Cinturones de malla metálica fabricados de acero inoxidable colocados en la parte

superior e inferior del empaque

El acero que se utilizó para la construcción de los empaques estructurados tiene las siguientes

características:

Lamina en rollo marca Precision Brand (6 in x 50 in = 15.2 cm x 127 cm)

Acero inoxidable

Espesor de 0.002 in (0.0508 mm)

Dureza Rockwell C40-45

Fuerza tensil de 185,000 p.s.i. (12588.50 atm)

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FIGURA 14. Rollo de acero inoxidable Precision Brand.

PROCEDIMIENTO PARA LA CONSTRUCCION DEL EMPAQUE ESTRUCTURADO

El procedimiento para construir un empaque estructurado consistió de texturizar la lámina con

un punzón, cada golpe se marcó a 2 mm de distancia; posteriormente se perforó la laminas

con una perforadora, hecha en casa, con la cual se obtienen orificios de 4 mm, la distancia

entre los centro de cada orificio fue de 1.27 cm. Por último, se realizó el corrugado de la

lámina con una dobladora (Marca Comercial Auto-industrial S.A de C.V.), el ángulo de

corrugado fue de 45° con respecto a la horizontal y tiene un dobles de 90°. La maquinaria

utilizada en la construcción pertenece al taller de máquinas herramientas situado en el

Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec y fueron las siguientes:

Dobladora de plancha

Cortadora de pedal

Perforadora de aluminio con punta acerada de 4 mm

Tornillo de banco

Instrumentos de medición (Regla metálica, escuadra metálica, etc.)

A continuación en las siguientes figuras se presentan las fotografías de las diferentes

herramientas:

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FIGURA 15A. Dobladora de plancha.

FIGURA 15B. Cortadora de pedal.

FIGURA 15C. Tornillo de banco. FIGURA 15D. Perforadora de aluminio

con punta de acero.

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Antes de comenzar la construcción del empaque se necesitó calcular el ángulo inicial de corte

(α) sobre la lámina de acero inoxidable, para que al momento de efectuar el corrugado sobre

la lámina metálica quedara a un ángulo final de 90° de acuerdo a la siguiente figura:

FIGURA 16. Se muestra cómo deben ir las líneas de corte y las líneas donde se realizara

el doblado sobre la hoja de acero Precision Brand.

El procedimiento para construir el empaque estructurado es el siguiente:

Determinación del ángulo inicial de corte (α) y ángulo de corrugado (φ)

Calculo de las dimensiones de 5 láminas dobles que formaran el empaque

Delimitación de las líneas de corte, diagonales y paralelogramo sobre la lámina

Precision Brand 0.002 in de 6 in x 50 in

Corte y selección de láminas Precision Brand

Perforación de laminas

Grabado esférico en relieve

Corrugado

Corte de malla metálica para asegurar el empaque

Ensamblado del empaque estructurado

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DETERMINACION DE LAS ECUACIONES PARA CALCULAR LAS DIMENSIONES DEL EMPAQUE STRUCTURADO TIPO SANDWICH

Para el diseño y construcción de un empaque estructurado, se tomaran en cuenta las medidas del empaque que se desea usar en una columna de destilación reactiva y que servirán para calcular las dimensiones del ancho (B2), alto (H2) y los valores de α2 y φ2 de un romboide que es el resultado de extender una lámina corrugada (Ver figura 17).

Los valores iniciales se toman a partir de la lámina corrugada que se desea construir para formar un empaque metálico estructurado (Ver figura 17a).

Para el cálculo preliminar se toma una superficie de control con el valor inicial de la base (B) y un valor de altura llamado u, esto servirá para realizar el cálculo inicial de lo que será el romboide final que con el proceso de corte, perforado y corrugado constituirá el empaque estructurado (Ver figura 18).

FIGURA 17. Para construir un empaque estructurado se requieren los valores H, B, Φ y α (a) para obtener finalmente H2, B2, Φ2 y α2 del romboide (b).

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FIGURA 18. A partir de B se toma una altura u=B ∙ tan(φ−90 °) que

se tomara de valor base.

En la figura 18, se muestra como se establece la superficie de control calculando a u al trazar una línea imaginaria perpendicular al valor de φ inicial.

Se calcula u como base de cálculo para las posteriores ecuaciones de diseño. Al trazar la línea perpendicular a Φ se obtiene un triángulo rectángulo (Ver figura 19) y se deduce que:

ν=Φ−90 ° y,

B= utan ν

Por lo tanto, u=B ∙ tan(φ−90 °) (1)

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FIGURA 19. Determinación de u por medio del triangulo rectángulo formado por B y ν.

FIGURA 20. Se aplican los métodos trigonométricos usuales para calcular las proyecciones de B y u en Bx, By y ux.

El área formada por B y u es la superficie mínima o primaria que se necesita para obtener los valores del romboide. Se calculan las cantidades de ángulos y aristas de los triángulos obtenidos que se muestran en la figura 20 y que servirán de referencia para establecer las medidas de las laminillas corrugadas y que están basadas en el romboide mencionado anteriormente con (B2), altura (H2), y valores α2 y φ2 (Ver figura 17).

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Del análisis de los triángulos rectángulos que se pueden observar en la figura 20 se pueden deducir los valores de las proyecciones de las aristas para calcular Bx, By y ux.

Bx=B ∙cos(ν )

By=B ∙ sen (ν)

ux=u ∙cos (θ)

Se establecen los valores de ν y θ, donde ν=Φ-90° y θ=190-Φ

Bx=B ∙cos (φ−90 °) (2)

By=B ∙ sen (φ−90 ° ) (3)

ux=u ∙cos (180−φ) (4)

En la siguiente figura se puede observar que se realiza una proyeccion de la superficie de

control (B∙u) utilizando las relaciones trigonometricas usuales cuando se analiza un triangulo

rectangulo u oblicuangulo.

La superficie de control es un area de referencia que sirve perfectamente a los propositos de buscar las dimeniones del romboide porque se proyecta perpendicularmente a Φ, es decir cuando se tiene un empaque corrugado (Ver figura 17), que al extender su superficie la figura resultante es un romboide o un paralelogramo sobre el plano.

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FIGURA 21. Proyección de la superficie de control para obtener los valores de B2, u2, Φ2 y α2 que son los datos necesarios para la construcción del empaque.

En la figura 21 se trazan líneas paralelas al paralelogramo formado por B∙u y se asocian lo

ángulos que están presentes como se indica en la figura, tomando en cuenta que BxT y uxT se obtienen de los valores iniciales de Bx y de ux que se calculan a partir de la base (B) y la altura (H) del empaque estructurado que se desea obtener (Ver ecuaciones 5 y 6).

Es conveniente aclarar que los datos iniciales son aquellos que se toman a partir del empaque estructurado que se desea obtener con el ancho y altura requeridos para ser usados en la columna de destilación reactiva (Ver figura 17).

La abertura del corrugado sobre la lámina expresado como ρ es de suma importancia y dado que el valor usado en este diseño de empaque será siempre de 45° y cuando la lámina se

extiende a lo largo formando el romboide la arista aumenta en una proporción a sen ρ.

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FIGURA 22. Proyección del romboide a partir de la superficie B∙u.

A continuación se muestra el grupo de ecuaciones que es necesario para obtener los valores del romboide que dará lugar a las laminillas corrugadas.

La relación entre ángulos y aristas de la superficie de control (B∙u) se pueden observar en la

figura 21 y figura 22. Se puede revisar la siguiente lista donde se establece en orden los pasos a seguir para calcular la base B2, altura H2, α2 y Φ2 del romboide o paralelogramo para la construcción del empaque (Ver figura 17).

1. u=B ∙ tan (φ−90 °)2. Bx=B ∙cos (φ−90 °)3. By=B ∙ sen (φ−90 ° )4. ux=u ∙cos (180−φ)

5. BxT= Bxsenρ

6. uxT= uxsenρ

7. γ=tan−1 ByBxT

8. B2= Bysenγ

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9. ε=tan−1 ByuxT

10. u2= Bysenε

11. α 2=ε+γ

12. Hu=Hu

13. H 2=u2 ∙Hu14. η=90−φ−γ15. φ2=φ−η

Se resuelve cada una de la ecuaciones tal y como están ordenadas desde la ecuación no.1 hasta la ecuación no. 12. Los valores que necesitamos del romboide son los valores de ecu. 8, ecu. 11, ecu. 13 y ecu. 15. Las ecuaciones propuestas son asociaciones trigonométricas

simples y se basan en la superficie unitaria (B∙u) para no tener incongruencias en los

resultados. El valor de ρ es el valor del doblez que tiene el corrugado y este puede variar

desde 45° hasta 90° tal y como se muestra en la figura 23. Generalmente se toma el valor de

ρ=45° y el espesor r no afecta a las dimensiones del romboide. El valor de Hu es n veces el

valor de la arista u y que servirá para calcular H2 (Ver ecuación 12).

FIGURA 23. Se muestra el modo de calcular el espesor del empaque estructurado.

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Las ecuaciones anteriormente descritas se pueden resumir en 4 ecuaciones que son:

B2=B ∙ sen(φ−90°)

sen [ tan−1(senρ ∙ tan(φ−90°))] (I)

H 2=sen (φ−90 °)∙ H

sen [ tan−1( cos (φ−90 ° ) ∙ senρcos (180 °−φ ) )] ∙ tan(φ−90 °) (II)

α 2=tan−1 cos (φ−90 ° )∙ senρcos (180−φ)

+ tan−1[senρ ∙ tan (φ−90° )] (III)

φ2=90+ tan−1[senρ ∙ tan (φ−90 °)] (IV)

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DETERMINACION DEL DIAMETRO DEL EMPAQUE ESTRUCTURADO

Para establecer el diámetro del empaque estructurado, se calcula primero el espesor de la

lámina corrugada (lx) a partir de la longitud de la diagonal del corrugado (r).

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FIGURA 24. Determinación del espesor de la lámina corrugada.

Se tiene que el ángulo de amplitud del corrugado tiene el valor de ρ y las proyecciones del

corrugado en los respectivos ejes “x” y “y” se calculan de la siguiente manera:

lx=r ∙cos ρ (16)

ly=r ∙ sen ρ (17)

Donde r es la longitud de la diagonal del corrugado, es decir el espesor donde se habrá de

realizar el dobles sobre la lámina del empaque y 2 ∙ly es la amplitud del corrugado como se

muestra en la figura 24.

Para determinar el número de láminas que habrán de componer el empaque estructurado se

realiza la siguiente operación:

n= De2 ∙ lx

(18)

Donde n es el número de láminas que componen el empaque, De es el diámetro del

empaque formado por las láminas corrugadas, lx es el espesor calculado anteriormente a

partir de r, Dt es el diámetro total del empaque junto con el espesor de la malla o cinturón

metálico que sujeta el empaque estructurado, em (Ver figura 25).

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FIGURA 25. Diámetro total diámetro del empaque.

El espesor de la hoja metálica (eL) se puede despreciar al cumplir ciertas condiciones, no así

el espesor del cinturón metálico que sujeta al empaque estructurado y que tendrá un valor

adicional al diámetro total (Dt ).

Para obtener los espesores de cada lámina (lx) que compone el empaque estructurado, el

ancho (B) se valora cuando se usa la ecuación de la circunferencia obteniendo las distancias

entre los puntos (xai , yi) y (xbi , yi) para obtener el ancho de cada lamina.

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FIGURA 26. Coordenadas de “xai”, “xbi” e “yi” obtenidos con la ecuación

de la circunferencia.

La numeración de n empieza a partir de la mitad del empaque, pues se da por hecho que en

la otra mitad del empaque (Ver figura 25) se tienen el mismo número de láminas ya sea que

estén colocadas en cantidades pares o impares.

Se calculan los puntos de xai y xbi con la ecuación de la circunferencia xai2+ yi2=R2,

donde R es el radio del empaque estructurado y yi=i ∙lx

Para la segunda coordenada y 2 tendríamos el doble del valor de lx es decir y 2=2 ∙lx

(Ver figura 26).

Se deduce que:

y 1=lx

y 2=2 ∙lxPágina | 68


yi=i ∙lx

⋮

yn=n ∙lx

El cálculo del ancho de cada lámina corrugada se obtiene usando la ecuación de distancia

entre puntos, es decir (B) que es la distancia que hay del punto xa1 al punto xb1 de

acuerdo a lo que se puede observar en la figura anterior.

Se tiene entonces la distancia entre puntos como:

dx=Bi=√(xai− xbi)2+( yi− yi)2 (19)

Se deduce que:

Bi=2√R2−(i ∙ lx)2 (20)

Donde i= 1, 2, 3,… n y donde n es el número de láminas que se obtuvo en la ecuación 18 y

como se puede observar en la figura 27.

En las ecuaciones antes descritas para calcular el ancho B de cada lámina se desprecia el

espesor de la hoja de acero eL, cuando se propone un espesor de:

0.015 in ≤ eL < 0 in

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A valores mayores de 0.015 in para eL el diámetro total (Dt ) aumenta significativamente por

lo que no es buena idea despreciar el espesor de la hoja de acero para no tener errores en el

diseño del empaque estructurado. El diámetro total se expresa de la siguiente forma:

Dt=De+2(n ∙ eL+em) (21)

Donde Dt es el diámetro total del empaque, De es el diámetro del empaque corrugado, eL

es el espesor de la hoja y em es el espesor del cinturón de acero que sujeta el empaque

estructurado (Ver figura 25).

FIGURA 27. Determinación del espesor B de la lámina del empaque.

CONSTRUCCION DEL EMPAQUE ESTRUCTURADO

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FIGURA 28. a) Valores de α y φ antes del corrugado y b) Valores finales

de α y φ después de corrugado.

El cálculo de las dimensiones del romboide que es el diseño preliminar para la construcción

del empaque estructurado (Ver figura 17).

Después de obtener los valores de la base (B2), altura (H2) y ángulo (α2) se traza las líneas

de diseño sobre la hoja de acero inoxidable que van acompañadas del ángulo (φ2) o ángulo

de doblado que será efectuado después del corte de las laminillas que viene por pares y que

están conformadas por cinco de ellas.

FIGURA 29. Plantilla para la construcción de un empaque estructurado con diez laminillas con α y φ

definidos.

Al momento de tener los ángulos de corte y de corrugado α2 y φ2, se traza las diagonales que

servirán para formar el corrugado final de 45° que se necesita en el empaque estructurado

(Ver figura 28).

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Por cada lámina de acero inoxidable se construyen 3 empaques estructurados, donde los

cortes y modelado del empaque se lleva a cabo con el equipo de máquinas herramientas

mencionado anteriormente, es decir, por cada empaque se deben cortar 5 pares de láminas

con forma romboidal con sus respectivas medidas.

FIGURA 30. a) Diseño, b) Corte, c) Doblado y d) Perfil de las laminillas corrugadas.

Se establecieron las siguientes medidas para cada lámina que está identificada como A-A’ o

E-E’:

FIGURA 31. Dimensiones en cm de las partes que

conforman el empaque estructurado.

Los valores de la distancia que existe entre las diagonales del corrugado pueden variar

dependiendo del grosor de cada lámina que constituye el empaque, en este caso el grosor

del empaque seria de:

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FIGURA 32. Distancia o longitud de las diagonales para el

corrugado.

Después del corte, se procede a golpear la lámina con la punta de acero de 1 mm de diámetro

por toda su superficie dejando un intervalo de 2 mm en cada marca o golpe.

FIGURA 33. Se golpea la lámina con una punta de acero de 1mm

de diámetro.

Se realizan los cortes de acuerdo a los valores especificados anteriormente y se perforan las

láminas dejando orificios sobre las láminas metálicas.

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FIGURA 34. Dimensiones del perforado sobre

la lámina de acero inoxidable.

Después de este procedimiento la lámina queda con las siguientes características:

FIGURA 35. Característica final de la lámina que forma el empaque

estructurado.

Las láminas son finalmente dobladas en la máquina de doblado, consiguiendo así la forma

que finalmente será parte del empaque estructurado con 10 láminas.

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FIGURA 36. Lamina terminada que formara

el empaque estructurado.

La cinta que va alrededor del empaque y que sujeta las láminas de acero inoxidable es del

mismo material y es cortada de manera que las pestañas tengan un ancho de 1 cm y sean de

18 a 20 pestañas aproximadamente las que sobresalgan de la cinta metálica.

FIGURA 37. Cinta metálica que sujeta el empaque estructurado.

La pestaña que sobresale a lo largo y que tiene una longitud de 3 cm servirá para sujetar la

cinta metálica de manera segura sobre el empaque y que no pueda desarmarse en el intervalo

de tiempo que está en uso dentro de la columna de destilación reactiva.

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FIGURA 38. Aseguramiento de la cinta metálica.

Finalmente esta ensamblado la cinta metálica que abraza de manera firme el empaque

estructurado y otra opción de que la cinta quede segura se puede lograr con una máquina de

soldadura de punto ahorrándose a si algunos cm2 de material.

FIGURA 39. Cinta metálica ensamblada.

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Resultados

RESULTADOS

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FIGURA 40. Grafica de Φ inicial del empaque contra el valor B2 final del empaque.

Las gráficas 40 a la 43 muestran la aplicación de las ecuaciones obtenidas como se muestra

en la página 63. Se han graficado los diferentes valores de Φ que puede tener un empaque

estructurado inicialmente contra los valores finales que se podrían obtener en el polígono

romboidal mostrado en la figura 17. Es decir, en la figura 40 se da un valor de corrugado inicial

Φ y se traza una línea vertical desde el eje de las abscisas a la curva y de la intersección se

traza una línea horizontal para obtener el valor de Bu. Luego entonces el valor de Bu se

multiplica por el valor de B inicial de la lámina corrugada que se desea construir, obteniendo

finalmente el valor de B2. Se tiene entonces que B2=B∙ Bu

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FIGURA 41. Valor Φ inicial vs Hu (Altura final del empaque).

Para obtener H2, se elige un valor para Φ inicial que es el ángulo de corrugado deseado. Se

traza este valor de Φ desde el eje de las abscisas verticalmente a la curva de la figura 41 y se

proyecta la intersección horizontalmente sobre el eje de las ordenadas (Ver figura 17). El valor

de H2 será H 2=H ∙H u

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FIGURA 42. Valor de Φ inicial vs α2 (Angulo final de α).

Para obtener α2 se toma nuevamente el valor de Φ inicial y se traza una línea vertical a la

curva de la figura 42. La intersección se proyecta de forma horizontal para obtener

directamente el valor de α2.

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FIGURA 43. Valor de Φ inicial vs Φ2 (Valor final de Φ).

Finalmente se calcula el valor Φ2 a partir del valor de Φ inicial, trazando la línea vertical a la

curva de la figura 43 y proyectando una línea horizontal a partir de la intersección. El valor de

Φ2 se obtiene directamente sin necesidad de otro cálculo posterior.

En la tabla siguiente se muestran las dimensiones que se implementaron para la construcción

de los 12 empaques estructurados de acero inoxidable.

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FIGURA 44. Dimensiones del empaque antes y después del corrugado calculado de acuerdo a las

ecuaciones establecidas.

De la figura 45 a la 48 se muestra el grado de avance y a seguir sobre un modelo de papel

que fue el que se hizo sobre la lámina de acero inoxidable. De la figura 49 a la 52 se puede

observar el empaque metálico estructurado tipo sándwich que se ha obtenido de acuerdo al

procedimiento descrito anteriormente.

FIGURA 45. Trazo inicial de las lineas de corugado.

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FIGURA 46. Corrugado a 45° sobre el modelo de papel.

FIGURA 47. Primeras cinco piezas que conforman el 50% del empaque estructurado.

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FIGURA 48. Se puede observar claramente las láminas corrugadas en

sentido contrario.

FIGURA 49. Empaque estructurado

terminado.

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FIGURA 50. Vista frontal del empaque estructurado.

FIGURA 51. Cinturones de acero inoxidable ajustando el empaque

estructurado de acuerdo a la figura 26.

FIGURA 52. Se observa el corrugado y el relieve sobre las láminas del empaque.

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Conclusiones

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CONCLUSIONES

En este trabajo se construyó doce empaques estructurados de acero inoxidable donde solo

once empaques de 11 cm de altura y con un diámetro exterior de 4.5 cm estarán colocados en

el interior de una columna de destilación reactiva a escala de laboratorio con diámetro interior

de 5 cm y una altura de 100 cm.

Se utilizó una lámina de acero inoxidable Precision Brand d 6 x 50 in y un espesor de 0.02 in.

El trabajo de corte, corrugado y ensamble se llevó a cabo en el taller de máquinas

herramientas del Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec.

Las medidas obtenidas en el empaque estructurado son las requeridas para la columna de

destilación a escala de laboratorio con las dimensiones antes descritas.

La construcción de un empaque estructurado no es difícil de construir cuando se tienen las

especificaciones adecuadas de acuerdo a la bibliografía investigada y sobre todo guiándose

en modelos ya establecidos como por ejemplo los empaques con especificaciones que

proporciona la empresa Sulzer Chemtech Co.

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Bibliografía

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BIBLIOGRAFIA

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Reactiva para el Análisis de Butilacetato. Revista Universidad EAFIT. 79-87.

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empaques rev claudia

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