Cama empaquetada

En el procesamiento químico , un lecho empacado es un tubo hueco , una tubería u otro recipiente que se llena con un material de empaquetamiento. El lecho empacado puede llenarse aleatoriamente con objetos pequeños, como anillos de Raschig , o bien puede ser un empaquetamiento estructurado diseñado específicamente . Los lechos empacados también pueden contener partículas de catalizador o adsorbentes, 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 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 empacado con un material refractario hasta que el relleno se calienta. Luego, se recircula aire u otro gas frío a la planta a través del lecho caliente, precalentando así el aire o el gas de alimentación.

Una columna de relleno es aquella que se utiliza para realizar procesos de separación , como absorción , desorción y destilación . ^{[ 1 ]} Las columnas utilizadas en ciertos tipos de cromatografía, que consisten en un tubo lleno de material de relleno, también pueden denominarse columnas de relleno y su estructura presenta similitudes con la de las columnas de relleno.

El lecho de la columna puede rellenarse con material de empaquetamiento vertido aleatoriamente (creando un lecho de empaquetamiento aleatorio) o con secciones de empaquetamiento estructuradas , dispuestas de manera que los fluidos sigan trayectorias complejas a través del lecho (creando un lecho de empaquetamiento estructurado). En la columna, los líquidos tienden a humedecer la superficie del material de empaquetamiento y los vapores pasan a través de esta superficie humedecida, donde tiene lugar la transferencia de masa . Los materiales de empaquetamiento pueden utilizarse en lugar de platos para mejorar la separación en las columnas de destilación. El empaquetamiento ofrece la ventaja de una menor caída de presión a lo largo de la columna (en comparación con platos o bandejas ), lo cual es beneficioso al operar al vacío. Los materiales de empaquetamiento de diferentes formas tienen diferentes áreas superficiales y espacios vacíos entre el empaque. Ambos factores afectan el rendimiento del empaque.

Otro factor en el rendimiento, además de la forma y el área superficial del empaque, es la distribución de líquido y vapor que ingresa al lecho empacado. El número de etapas teóricas necesarias para realizar una separación dada se calcula utilizando una relación vapor-líquido específica. Si el líquido y el vapor no se distribuyen uniformemente en el área superficial de la torre al ingresar al lecho empacado, la relación líquido-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 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 a un lecho empacado es crítico para que el empaque funcione con la máxima eficiencia.

Las columnas de relleno presentan una curva de equilibrio vapor-líquido continua, a diferencia de la destilación convencional en bandejas, donde cada bandeja representa un punto de equilibrio vapor-líquido independiente. Sin embargo, al modelar columnas de relleno, resulta útil calcular el número de platos teóricos para indicar la eficiencia de separación de la columna en comparación con las bandejas más tradicionales. En el diseño, primero se determina el número de etapas de equilibrio teórico necesarias y, a continuación, la altura de relleno equivalente a una etapa de equilibrio teórico , conocida como altura equivalente a un plato teórico (HETP). La altura total de relleno requerida es el número de etapas teóricas multiplicado por la HETP.

Los reactores de lecho fijo son recipientes que contienen un lecho fijo de material catalítico ; se utilizan ampliamente en la industria de procesos químicos y su principal aplicación son las reacciones catalíticas heterogéneas en fase gaseosa. Entre las ventajas de utilizar un reactor de lecho fijo se incluyen la alta conversión de reactivos por unidad de masa de catalizador, los costos operativos relativamente bajos y el funcionamiento continuo. Las desventajas incluyen la presencia de gradientes térmicos a lo largo del lecho, un control deficiente de la temperatura y la dificultad para el mantenimiento del reactor. ^{[ 2 ]}

La ecuación de Ergun se puede utilizar para predecir la caída de presión a lo largo de un lecho empacado, dadas 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 terrestre, 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 fijo 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 dicho flujo. Se utilizan técnicas tomográficas como la tomografía de infrarrojo cercano , rayos X , rayos gamma , capacitancia eléctrica y resistencia eléctrica para cuantificar los patrones de distribución de líquidos en columnas empacadas; 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 ]}

• Destilación continua – Forma de destilación 
• Ecuación de Kozeny-Carman : relación utilizada en el campo de la dinámica de fluidos. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redireccionamiento. 
• Lecho fluidizado : fenómeno físico 
• Sistemas de tomografía industrial
• Anillos Dixon
• Empaquetamiento aleatorio de columnas

• Perry, Robert H. y Green, Don W. (1984). Manual del ingeniero químico de Perry (6.ª  ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7.