Impianti chimici - parte 3

Il funzionamento dell'impianto e il dimensionamento

SIHo forza motricebulliInnalzamento PT costi parte dellaperchésale DTe scopino cost unao minoreuna: .↑ ( )negativol' sensibilemangiataha Questo FUteè che scambiaV condensa chesia qcon con. PDovreicon scambiataho termicaquesto potenza dicondensare cambiominore uncon, .ilconta ilNon corrente uscitadi uscita tradella di entratacalore in conta Dg somasoluz ema,. .)( ilQuesto DHper hoperchè separatoreQuesto impianto stranoesercizio è-311 30 sepapag . . tubi lunghi verticaliè concentratore esternaun a sup ai.[ ) vogliamoabbiamonoi ma Wr.Pibb / diluna : progettodatoprogetto impiantospecifica dell'calcolodi dimensionelauna: datoverifica prestazione [impianto laverifico ottimalela Jovveroun: , ,fatto il tranquilloprogetto dimensionamentoilfunziona hoimpiantocontrollo cosìsovraese sono: , funzionailc' nell'rischio Altrosotto perdo soldichedimensione casose è non , . basefattore piùmoltiplicole dimensioni

chepoicalcolo grande èper ine menooun→ All' portavaincertezza dietroche si . laSe lavantaggioho prestazioneho Seprestazione èdi aumentaredevomenonessunecc nonun . .funziona soldispecifica difiloni ancheprogetto megliose perdosono se, .manovella cambio le coseunacon→

CONCENTRAZIONE: RIASSUNTOCONCETTI FONDAMENTALI:Un concentratore è molto simile a un evaporatore parziale (singolo stadio di equilibrio), ma con• la semplificazione che il soluto non è volatile.La concentrazione è un problema di scambio termico e la risoluzione e il dimensionamento• portano, come ultimo aspetto, al calcolo della superficie di scambio termico A.Esistono diverse tipologie di concentratori, ma la soluzione passa sempre attraverso (almeno)• un sistema di EQUAZIONI:bilancio di materia sul soluto;o bilancio di materia globale;o bilancio di energia sul fluido di processo da concentrare;o bilancio di energia sul fluido di servizio usato per fornire

calore; o equazione cinetica dello scambio termico. Nel bilancio entalpico del fluido di processo compaiono termini di calore di soluzione.

• Si noti che quello che conta:
• NON è l'entità del calore di soluzione nel liquido uscente,
• MA la differenza del calore di soluzione posseduto dalla corrente uscente (concentrata) rispetto a quella entrante (diluita).

CONCENTRAZIONE: RIASSUNTO

CONCETTI FONDAMENTALI:

• I calori di soluzione possono essere trascurati SE:
• le entalpie di soluzione sono basse,
• la concentrazione del soluto è bassa,
• la variazione di concentrazione del soluto è bassa.

Nei bilanci entalpici è possibile una soluzione semplificata, ma la soluzione completa è maggiormente corretta passa attraverso l'assunzione di uno stato di riferimento.

L'equazione dello scambio termico:

̇" = $ & & & Δ(% (2$)

NON è un bilancio di energia o materia, è l'espressione

1. cinetica del termine di scambio di calore all'interfaccia: <strong>cinetica del termine di scambio di calore all'interfaccia</strong>
2. o esprime la velocità con cui il calore viene effettivamente scambiata: <strong>o esprime la velocità con cui il calore viene effettivamente scambiata</strong>
3. o essa contiene la forza motrice media, differenza di temperatura, sulla superficie di scambio che deve essere espressa in modo corretto: <strong>o essa contiene la forza motrice media, differenza di temperatura, sulla superficie di scambio che deve essere espressa in modo corretto</strong>
4. CONCENTRAZIONE: ESERCIZIO
5. ESERCIZIO.1 - TESTO
6. Si vuole produrre una corrente acquosa concentrata di un sale mediante un processo di concentrazione di una soluzione diluita di concentrazione pari a 112 g/L con portata F pari a 100 kg/h e temperatura di 25°C. La pressione nel concentratore è pari a 1 atm.
7. Il processo avviene in un concentratore a circolazione forzata e superficie di scambio esterna (vedi figura).
8. L'energia necessaria per la concentrazione viene fornita in uno scambiatore (esterno) in cui viene ricircolata la soluzione (liquida) con una portata W di 10 000 kg/h.
9. Si immagini di dover dimensionare lo scambiatore di calore (progetto) in modo che la temperatura del liquido di processo

Concentrazione: Esercizio 1 - Testo

Quesiti:

1. Si individui la temperatura di funzionamento del concentratore.
2. Si scrivano i bilanci di materia ed energia.
3. Si calcolino la portata di calore da scambiare nello scambiatore di calore.
4. Si determinino le portate di vapore V e di liquido L ottenute in queste condizioni.
5. Si calcoli la frazione ponderale di soluto nella soluzione concentrata (valore da calcolare, non assegnato come specifica di progetto).
6. Si calcoli la portata di vapore d'acqua S da fornire assumendo che esso sia saturo a 124°C.
7. Si determini la superficie di scambio necessaria (progetto).
8. La temperatura di condensa è due volte quella di ebollizione.

DATI E IPOTESI: attuida anche perché dell'acqua ne,r I-1 che entra nello scambiatore (corrente W) debba essere aumentata fino a 104°C senza produrne l'ebollizione.

DtSpecifica "strana": = (t - t ) al posto di imporre ) .$out in

CONCENTRAZIONE: ESERCIZIOESERCIZIO.1 - TESTO

-2 -1densità soluzione, = 1.2 g/mL; U = 3500 kcal h m K ;- Lle altre caratteristiche chimico fisiche della soluzione possono essere approssimate con quelle- dell'acqua pura;l l(100°C) = 540 kcal/kg, (124°C) = 524 kcal/kg- V Ssi trascuri l'innalzamento ebullioscopico;- si trascuri il calore di soluzione del sale.

CONCENTRAZIONE: ESERCIZIOESERCIZIO.1 - SOLUZIONEEquazioni utili – approccio intuitivo:1. BM sul soluto * & ) = + & )# $2. BM globale 0=*−+−. 2̇ 23. BE sul fluido di processo " = * & 0 & ( - 1 + . & 3 (()% &,# # '2̇4. BE sul fluido ausiliario " = 6 & 3 (1 )% % %̇5. Eq. Cinetica Scambio Termico " = $ & 7 & Δ(% 2$La specifica di progetto NON compare in nessuna di queste 5 equazioni!̇ 26. BE sullo scambiatore " = 8 & 0 & 1 - 1% &,$ 4 !̇→ 6 incognite ( " , V, S, A, L, ) ), 6 equazioni% $ CONCENTRAZIONE: ESERCIZIOESERCIZIO.1 -

+ . & 3% &,# #̇perché contiene due incognite: " , ..% PERÒLa potenza termica scambiata può essere determinata tramite un bilancio entalpico sulloscambiatore per il fluido di processo: 2 ̇0 = 8 & 0 & 1 − 1 − 0 + " + 0&,$ ! 4 %Se si assume: 2 2 78 780 = 0 = 1 ?@AB ?C °0&,$ &,5 6-̇ 2 9 9" = 8 & 0 & 1 − 1 = 10 000 & 1 & 104 − 100 = 40 000 ?@AB/ℎ% &,$ 4 !CONCENTRAZIONE: ESERCIZIOESERCIZIO.1 - SOLUZIONEPortate V e L:NON si possono usare i bilancio di materia.. * =++.* & ) = + & )# $perché L, V e ) sono incognite (3 incognite, 2 equazioni).$La portata di vapore V può essere calcolata mediate un bilancio entalpico sull’intero impianto:22 ̇0 = * & 0 & 1 − ( − 0 − . & 3 + " + 0&,# # %2 ̇* & 0 & 1 − ( + "&,# # %.= 23POI sarà possibile ricavare L dal bilancio globale:+

CONCENTRAZIONE: ESERCIZIOESERCIZIO.1 - SOLUZIONE

Portate V e L:

Assumendo come stato di riferimento SR: la fase liquida a 100°C e trascurando eventuali calori di soluzione:

22 ̇0 = * & 0 & 25 − 100 − 0 − . & 3 100°C 0 + " + 0&,# %ovvero: 2 2 ̇. & 3 = −* & 0 & 100 − 25 + "&,# %Se si assume: 2 2 78 780 ≅ 0 ≅ 1 ?@AB ?C °C&,# &,5 6-Allora: ̇ 2 9" − * & 0 & 100 − 25 40,000 − 100 & 1 & 75% &,#.= = = 60.2 °C/h2 5403e dal bilancio globale: + = * − . = 100 − 60.2 = 39.8 °C/h

CONCENTRAZIONE: ESERCIZIOESERCIZIO.1 - SOLUZIONE

Calcolo della composizione dell'alimentazione ) :

#1 litro di soluzione alimentata ha massa totale pari a 1200 grammi e contiene 112 grammi di sale:

112) = = 0.0933 = 9.33%

# 1200

Calcolo della composizione del prodotto ) :

$La composizione uscente può quindi essere calcolata dal bilancio sul

soluto:*× ) 100 & 0.0933#) = = = 0.235 = 23.5%$ + 39.8

CONCENTRAZIONE: ESERCIZIOESERCIZIO.1 - SOLUZIONE

Calcolo della portata di vapore S condensato e consumato:

La portata in massa del vapore consumato S può essere calcolata dal bilancio entalpico sul vapore condensante: ̇̇ ̇ ×0 = N - N + O + 0%,:,; %,-.< 7

Assumendo come stato di riferimento SR: acqua liquida alla temperatura di condensazione del vapore (124°C): 2 ̇ ×0 = 6 & 3 124°C - 0 + O + 0