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DISTILLAZIONE, FLASH, RETTIFICA, EFFICIENZA, DIMENSIONAMENTO COLONNE DI…
DISTILLAZIONE
BATCH
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n0 = moli iniziali in caldaia
Abbiamo che al tempo "t" rimangono "n" moli (x e y composizione di L e V)
La quantità "A" residua in caldaia sarà nA = xn
Vaporizzando una quantità dn otteniamo:
Conoscendo la volatilità relativa tra i due componenti da separare ed assumendola approssimativamente costante:
- Alimento vapore direttamente in caldaia
- Porto in ebollizione
- Vapore generato mandato ad un condensatore e poi al serbatoio di raccolta del prodotto
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METODI RIGOROSI
METODO PIATTO-PIATTO (Lewis Mateson) = abbina bilanci materiali (totale e riferito al singolo componente) con bilanci entalpici iterativi
Questi bilanci devono essere accompagnati dalle condizioni di equilibri odi ciascun componente
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FLASH
FLASH-DRAMA
Recipiente molto semplice, munito di una paratia che consente di distribuire il fluido all'ingresso
Fluido alimentato attraverso una fornace e pompato ad una pressione maggiore rispetto a quella a cui si opera
Separazione di fase:
- vapore (quantità = f) possiede una certa composizione yD
- liquido (quantità = 1-f) di composizione xB
Quando il liquido entra si forma spontaneamente vapore che tende a trascinare verso l'alto le goccioline di liquido
Introduciamo una paratia (blocco fisico - dispositivo anti trascinamento) contro cui le goccioline sbattono. Esse si raccolgono sulla parete solida e scendono raccogliendosi sul fondo dell'apparecchiatura
DEMISTER = griglie usate al posto delle paratie che si installano in modo alternato e permettono la coagulazione in gocce del liquido e quindi non permettono il trascinamento da parte del vapore
DIMENSIONAMENTO
- Alimentiamo un flusso unitario di miscela
- Preriscaldiamo a pressione elevata (=ottenere condizioni operative del flash e avere separazione delle due fasi)
- Decidere il valore di frazione da vaporizzare (f)
- Bilancio materiale relativo ad un singolo componente
- RETTA DI ESERCIZIO DEL FLASH = correlazione tra composizione del vapore e del liquido
Maggiore è la temperatura, minore è la pressione, maggiore sarà il grado di vaporizzazione del feed
Vaporizzando troppo feed rischiamo di mandare in fase vapore anche una parte del componente meno volatile
MISCELE MULTICOMPONENTE
I bilanci materiali sono ripetuti per ogni componente, si applica la condizione di equilibrio tra liquido e vapore per ogni componente e si calcola la composizione con un metodo iterativo
- Alimentiamo in punto "a" un liquido (F, di composizione xF)
- Aumentiamo pressione e temperatura
- valvola "c" = valvola di espansione che porta il liquido all'interno del flash
- Reattore "d" = operante a pressione atmosferica
- Poniamo come obiettivo la quantità di vapore (f) che si vuole ottenere
RETTIFICA
DESIGN DI COLONNA.
DIAMETRI = tra 1 e 30 piedi
NUMERO PIATTI = variabile, fino a 100
SPAZIATURA = variabile, maggiore è l'altezza della colonna maggiore sarà la spaziatura
Possono lavorare in condizioni di vuoto o a pressioni superiori a quella atmosferica. Allo stesso modo anche le temperature sono molto variabili: dalle colonne criogeniche a quelle che raggiungono i 900°C
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DOWNCOMER = sezione di arrivo del liquido dal piatto superiore
Il liquido tracima e viene accompagnato al piano inferiore e non semplicemente fatto cadere
WEIR = troppo pieno
Il liquido svolge un percorso ordinato e arriva nella parte del piatto che lavora, dove ci sono dei forellini da cui sale il vapore dal piatto inferiore e gorgoglia attraverso il liquido (questa è la fase di trasferimento di materia ed energia).
Il liquido è raccolto e non può scaricare al piatto successivo fino a quanto non raggiunge il troppo pieno
FROTH = nebbia che si forma quando il vapore è stato a contatto con il liquido (in base alla sua pressione e alla sua portata), esce dal liquido ma ne trascina una parte
Il vapore finemente disperso è erogato da forellini in modo che si disperda bene all'interno del liquido, scambi il più efficientemente possibile materia ed energia e poi stacchi il liquido facendo disengagment (pian piano deve perdere le goccioline trascinate fino a diventare vapore più possibile secco, per poter quindi essere alimentato il piatto successivo)
DIMENSIONAMENTO
Dimensionare i piatti.
I PIATTI più semplici sono i sieve stage, piatti forati in cui il condotto di scarico del liquido (downcamer) occupano il 10-15% dello spazio del piatto
FORI a pianta triangolare. I fori più fitti sono nel corpo centrale e la parte senza fori rimane vicino al condotto di scarico verso il piatto successivo per consentire meglio il degasaggio del vapore prima dell'abbandono del piatto
Adattare la dimensione della colonna alle portate, per avere la giusta velocità, la giusta pressione e il giusto collocamento delle portate che scorrono attraverso la colonna
IDRAULICO
Consentire di avere il giusto accumulo del liquido sul piatto stesso
Il vapore deve gorgogliare all'interno del liquido avendo una pressione sufficiente e subendo delle perdite di carico limitate che gli consentono di avere una pressione sufficiente (la pressione del vapore viene generata in caldaia e deve essere mantenuta)
PERDITE DI CARICO
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PERDITE DI CARICO TOTALI = date dal contributo del passaggio attraverso il piatto secco e attraverso il battente del liquido
PERIDTE DI CARICO PER PASSAGGIO ATTRAVERSO BATTENTE DI LIQUIDO = dipende dall'altezza del troppo pieno (weir) ma anche dell'altezza del liquido indicato tramite un fattore di correlazione
WEEPING = situazione in cui la pressione del vapore non è sufficiente per far attraversare il battente di liquido
distribuzione diseguale del flusso del vapore che tende a passare dove la perdita di carico è inferiore = dove il vapore non passa il liquido piove e quindi abbiamo un liquido non lavato dal vapore che scende nel piano inferiore diminuendo l'efficienza
FLOODING = situazione di allagamento
Abbiamo la colonna satura di liquido, il calore che si fornisce in caldaia non è sufficiente e quindi la colonna tende ad accumulare il liquido verso l'alto
MISCELE MULTICOMPONENTE
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Si fissa un valore di RD e si determina il numero di piatti necessario per raggiungere la separazione desiderata
Nella maggior parte dei casi non si possono fare assunzioni semplificative, ma i calcoli shortcut sono usati per fare una prima stima del numero di piatti e di RD di primo tentativo
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BATCH
Alimentiamo in colonna parte del distillato con un dato RD
La composizione della caldaia cambia nel tempo quindi bisogna cambiare lo condizioni di gestione, se si vuole mantenere fissa
E' necessario aumentare il rapporto di riflusso per mantenere la purezza del distillato
cioè
mantenendo costante RD si ammette la diminuzione progressiva della purezza del distillato fino ad un valore limite, dopo il quale l'operazione viene interrotta
COLONNE A RIEMPIMENTO
Al posto dei piatti si utilizzano dei CORPI DI RIEMPIMENTO.
Più economici dei piatti
Meno efficienti in quanto risulta difficile uniformare i flussi e il contatto tra le fasi
Usate quando la separazione non è complessa e la colonna di dimensioni contenute
DIMENSIONAMENTO eseguito come per le colonne di assorbimento, valutando altezza equivalente del piatto teorico
EFFICIENZA
NELLA PRATICA
Non posso usare quella di Murphree in quanto dice solo di quanto aumenta il numero di piatti rispetto al teorico
METODI GRAFICI
Diagrammi x-y usando il metodo McCabe-Thiele, ma con correzione grafica che tiene conto del "gap" tra il punto reale di uscita dal piatto e il punto ideale di equilibrio
- Tracciare le curve di equilibrio e le rette operative (retta di esercizio e se necessario quella di stripping)
- Misurare il punto sperimentalmente: collocare sul grafico composizione di ingresso e di uscita dal piatto
- Calcolare efficienza di Murphree tramite formula grafica
- Trasferire l'efficienza sul diagramma
- Calcolare efficienza globale = rapporto tra il numero teorico di piatti e il numero reale di piatti
Calcolata empiricamente.
Il valore dell'efficienza è legata alla velocità di trasferimento di massa tra le due fasi
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LOCALE
Riferito ad una zona precisa del piatto, non mediata su tutto il piatto
Usata solo per colonne molto grandi con piatti estesi
DI MURPHREE
Riferita al singolo piatto, cioè ciascun piatto può avere in principio una efficienza di Murphree diversa
Differenza tra la separazione realmente avvenuta e quella che sarebbe prevista dall'equilibrio
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