Orale Impianti chimici

EVAPORATORI

L’evaporazione un’operazione unitaria

è che consiste nel concentrare una miscela di un soluto non volatile

ed un solvente volatile, mediante l’evaporazione di quest’ultimo. Solitamente, l’evaporazione è eseguita al fine

di ottenere un prodotto ricco in soluto. Tuttavia, in alcuni casi, può essere utilizzata per lo scopo opposto,

costituito principalmente da solvente pressocché puro (distillazione dell’acqua

ovvero per ottenere un prodotto

di mare per renderla potabile, nonostante si chiami erroneamente “distillazione” si tratta di una evaporazione).

CARATTERISTICHE DEI LIQUIDI

dei problemi riguardanti l’operazione di evaporazione è

La risoluzione pratica vincolata alle caratteristiche

della soluzione in esame. Le caratteristiche in questione risultano:

• Concentrazione

L’alimentazione può, spesso, essere così diluita da possedere proprietà fisiche pressocché identiche a

quelle dell’acqua, ma, man mano che la concentrazione aumenta, queste possono variare sensibilmente

a causa della presenza del soluto. Tipicamente, un fenomeno di questo tipo riguarda la temperatura di

prende il nome di “innalzamento del punto ebullioscopico” (IPE).

ebollizione e

• Termodegradabilità dall’esposizione ad

Diversi agenti chimici, prodotti farmaceutici ed alimentari, sono danneggiati

elevate temperatura, anche per tempi relativamente brevi. Nel concentrare soluzioni affette da tale

problematica, si ricorre a particolari tecniche che possono ridurre le temperature di esercizio ed i tempi

di esposizione.

• Sedimentazione

Alcune soluzioni depositano sedimenti che comportano l’abbassamento del coefficiente di scambio

dell’impianto e la conseguente necessità di rimuoverne alcune parti al fine di ripulirle.

OPERAZIONE DI EVAPORAZIONE

Come detto in precedenza, l’operazione di evaporazione, consiste nell’alimentare all’impianto una corrente

( ) ricca in solvente per poi far evaporare parte di esso ottenendo una corrente in uscita ( ) con

0 1

>

concentrazione di soluto maggiore di quella alimentata ( ). Per fare questo, è necessario fornire

1 0

calore alla soluzione; questo calore è fornito mediante una corrente di vapore saturo che entra in un fascio

tubiero (orizzontale o verticale a seconda del tipo di impianto).

L’impianto relativo a questa operazione è costituito da una caldaia forata dalla quale, i vapori generati a

fuoriescono procedendo verso l’alto,

seguito dello scambio termico con il fascio tubiero, mentre la frazione

attraverso un foro centrale, all’interno della soluzione. Questa conformazione permette

che condensa ricade,

di ottenere un coefficiente di scambio ragionevolmente alto, nonostante il tutto avvenga in convezione naturale.

presente all’interno dell’evaporatore,

Solitamente, il liquido occupa circa ¼ del volume totale

dell’evaporatore; questo perché bisogna mantenere uno spazio libero in testa affinché il vapore salga, ma non

trascini con sé particelle di liquido. Questa sezione dell’impianto rappresenta una “zona in

di decantazione”

cui le eventuali particelle di liquido trasportate dal vapore che sale hanno abbastanza tempo per precipitare di

nuovo all’interno della soluzione. Talvolta, per facilitare questo processo, si ricorre ad un “diaframma” che

permette alle particelle di liquido di liberarsi più facilmente e precipitare; in casi più estremi si può anche porre

dei veri e propri separatori.

Una condizione necessaria affinché il processo di evaporazione sia efficiente è che la soluzione non abbia un

punto di ebollizione troppo elevato. In tutte le operazioni unitarie che coinvolgono trasporto di calore o di

materia, assume una posizione rilevante la termodinamica. In questo caso, la termodinamica ci permette di

all’innalzamento del punto ebullioscopico

prevedere il comportamento della soluzione in esame rispetto a

seguito della presenza del soluto. Lo strumento utilizzato per tale previsione è il diagramma di Durhing, il

quale permette di determinare la temperatura di ebollizione di una soluzione ad una certa pressione in funzione

della temperatura di ebollizione del solvente e della concentrazione di soluto nella miscela a quella stessa

pressione.

EVAPORATORI A MULTIPLO EFFETTO dall’evaporatore

La resa di un evaporatore è rappresentata dal rapporto tra vapore prodotto e vapore di

linea usato per riscaldare la soluzione; la resa degli evaporatori a singolo effetto è sempre minore di 1, ciò

lascia intendere come siano poco efficienti. Gli evaporatori a multiplo effetto permettono di

sfruttare il vapore generato da un singolo effetto per

nell’effetto

riscaldare ulteriormente la soluzione

successivo, incrementando la resa dell’operazione.

Un impianto di questo tipo è costituito da più

evaporatori in serie, nei quali, il vapore uscente

dall’effetto precedente, viene fatto condensare nel

fascio tubiero dell’effetto successivo al fine di

riscaldare l’alimentazione dell’effetto successivo che

risulta nient’altro che il prodotto dell’effetto

precedente.

Questa tipologia di evaporatori include due casi differenti:

• Evaporatori in Equicorrente

Gli evaporatori in equicorrente sono caratterizzati da una disposizione che segue un andamento

> >

decrescente delle pressioni ( ); questo perché, affinché il vapore uscente da un effetto

1 2 3

sia utile a far evaporare la miscela nell’effetto successivo, la temperatura di ebollizione nell’effetto

La soluzione, procedendo nell’impianto, si

successivo deve essere minore di quella del vapore stesso.

< <

concentra ( ).

1 2 3

Il vantaggio di questa disposizione sta nel fatto che le correnti si muovono seguendo il gradiente di

pressione e, di conseguenza, non sono necessarie pompe per la distribuzione delle correnti. Inoltre, la

si raggiunge proprio nell’effetto

temperatura minore, dove si stabilisce la concentrazione

maggiore; questo risulta particolarmente favorevole in presenza di miscele di componenti

che, quando maggiormente concentrati, risulterebbero più esposti all’azione

termodegradabili

dannosa del calore.

D’altro canto, nel caso in cui si operi con soluzioni molto viscose, a temperature basse ed alte

> >

concentrazioni, si otterrebbe un coefficiente di scambio molto basso ( ). In definitiva,

1 2 3

questa configurazione risulta ideale in presenza di miscele termodegradabili e poco viscose.

• Evaporatori in Controcorrente

Nel caso della disposizione in controcorrente, ciò che cambia è la direzione delle correnti liquide,

le quali procedono concentrandosi in direzione opposta al decrescere delle temperature e delle

pressioni. > > → > > → > >

1 2 3 1 2 3 1 2 3

Il vantaggio maggiore è rappresentato dal fatto che laddove la concentrazione è maggiore, lo è anche

la temperatura, il ché scongiura una viscosità troppo elevata che impatterebbe negativamente sul

coefficiente di scambio. Un problema è rappresentato dalla possibile degradazione dei soluti che,

dove maggiormente concentrati, si imbattono in una temperatura elevata. Lo svantaggio principale

consiste nella necessità di utilizzare delle pompe che mettano in circolo le correnti liquide che

devono percorrere l’impianto nella direzione crescente delle pressioni. I coefficienti di scambio sono

all’interno di tutto l’impianto ( ≅ ≅

pressocché gli stessi ). Si è obbligati a ricorre a questa

1 2 3

configurazione quando si opera con miscele molto viscose.

Anche quando i coefficienti di scambio sono diversi, si considerano uguali le aree di scambio degli

evaporatori, altrimenti si dovrebbe acquistare evaporatori di dimensioni diverse, ognuno con ricambi

differenti a corredo, e ciò comporterebbe un inevitabile lievitazione dei costi.

CONDESATORE

vapore che fuoriesce dall’evaporatore

Il viene condensato in un condensatore barometrico che permette

di stabilire un certo grado di vuoto all’interno dell’evaporatore.

Quando il vapore è puro in solvente si utilizza un condensatore a miscela, il quale mette in diretto contatto

il vapore con una corrente di acqua fredda che fa condensare il vapore e produce una corrente in uscita costituita

dalla somma delle due correnti in ingresso.

Se il vapore è sporco (contiene tracce di soluto) si tende a tenere separate le correnti di vapore e acqua di

raffreddamento adottando un vero e proprio scambiatore di calore il quale presenta in entrata la corrente di

vapore saturo e la corrente di acqua fredda e, in uscita, una corrente di liquido condensato ed una di acqua che

ha acquisito una certa quantità di calore.

SCAMBIATORI DI CALORE

Nell’industria di processo, l’operazione di trasferimento di calore viene condotto nelle modalità più

disparate. La metodologia che ci interessa particolarmente è quella che prevede l’impiego di scambiatori di

calore.

La progettazione e la verifica degli impianti costituiti da scambiatori di calore è piuttosto complessa e

influenzata dai fattori più disparati. Il design definitivo di uno scambiatore, spesso, dipende da una serie di

compromessi che hanno poco a che fare con il puro scambio termico, ma piuttosto riguardano scelte di natura

logistica ed economica.

In generale, la progettazione di uno scambiatore di calore va effettuata secondo gli standard definiti dal

TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association).

Gli scambiatori di calore possono essere costruiti principalmente secondo due configurazioni: tubo e tubo,

tubo e mantello. Noi, in particolare, studiamo le due configurazioni in controcorrente. Il caso dello

scambiatore tubo e tubo può essere visto come un caso particolare di scambiatore tubo e mantello (1 tubo

interno, mantello, 1 numero di passaggi lato mantello e 1 numero di passaggi lato tubi, in perfetta

controcorrente). ai fini dell’ottimizzazione

In uno scambiatore, i coefficienti lato tubi e lato mantello hanno uguale rilevanza

di tutto il processo. Le problematiche più frequentemente analizzate richiedono il calcolo di: area di scambio,

lunghezza dei tubi, coefficiente di scambio globale, temperature di uscita dei fluidi.

CARATTERISTICHE DEI TUBI

Le dimensioni dei tubi sono tabulate in funzione del diametro (interno o esterno che sia) e dello spessore

delle pareti in termini di BWG. Le lunghezze standard dei tubi, alle quali bisogna fare riferimento per la

costruzione reale dello scambiatore, sono 8-12-16-20 ft. all’interno del mantello sono

Nel caso di scambiatori tubo e mantello, le possibili disposizioni dei tubi

La scelta di una piuttosto che un’altra

principalmente due: disposizione triangolare, disposizione quadrata.

disposizione influenza in maniera determinante il funzionamento dello scambiatore stesso. La disposizione

dell’esterno dei tubi perché non lascia sufficiente spazio tra

triangolare, ad esempio, non permette la pulizia

gli stessi. La disposizione quadrata, invece, permette la pulizia dei tubi e comporta una minore perdita di

carico dal lato mantello.

Un espediente costruttivo che può essere adottato a seconda delle esigenze è costituito dal numero di

mediante l’introduzione (in testa ed in coda allo scambiatore tubo

passaggi nei tubi; questo è attuato e

mantello) di setti di separazione che obbligano il fluido a passare in un numero di tubi inferiore a quello totale

al fine di attraversare il mantello più di una volta.

CARATTERISTICHE DEL MANTELLO

Le dimensioni del mantello sono standardizzate. Le caratteristiche costruttive che permettono di adattare

alle diverse esigenze un particolare scambiatore sono principalmente due: introduzione di setti di separazione

longitudinale, baffles. I primi, permettono di aumentare il numero di passaggi lato mantello, come spiegato

per quanto riguarda i tubi. I secondi, costituiti da piastre di metallo appositamente sagomate, aumentano le

turbolenze del fluido di governo obbligandolo a compiere percorsi più tortuosi; ciò va a beneficiare lo scambio

complessivo di calore. I baffles più comunemente utilizzati occupano il 75% della sezione del mantello. La

spaziatura tra i diversi baffles deve essere maggiore di 1/5 del diametro interno del mantello e minore di

questo stesso. all’interno dei tubi

Gli scambiatori tubo e mantello sono adatti per portate molto elevate. Solitamente, viene

fatto passare il fluido a pressione maggiore e che comporta un più elevato sporcamento; questo perché, a

seguito di eventuali danni all’impianto, è piuttosto che l’intero mantello.

più facile sostituire dei tubi

DISTILLAZIONE

è un’operazione unitaria volta alla

La distillazione separazione di due o più componenti di una stessa

miscela, condotta sfruttando la differenza di volatilità tra i componenti. Noi ci occupiamo della distillazione

di miscele binarie.

DISTILLAZIONE FLASH

La distillazione flash consiste nella vaporizzazione di una determinata frazione di un certo liquido in maniera

successivamente separati. L’alimentazione

tale da ottenere un vapore in equilibrio con il residuo liquido,

viene pompata in un organo di preriscaldamento e, successivamente, inviata ad una valvola di laminazione

Le due fasi all’equilibrio così ottenute vengono inviate ad un

che comporta una parziale vaporizzazione.

separatore in cui, dopo un sufficiente periodo di tempo, hanno la possibilità di separarsi.

DISTILLAZIONE CONTINUA

L’impianto all’esecuzione del processo di distillazione il nome di “colonna

volto prende di distillazione”.

All’interno della colonna sono presenti una fase liquida ed una fase gassosa che si muovono, nel nostro

caso, in controcorrente. In particolare, la fase liquida attraversa la colonna dall’alto verso il basso, mentre la

fase vapore lo fa dal basso verso l’alto.

La miscela da separare viene introdotta in una sezione intermedia della torre. La colonna, in questo modo,

viene idealmente suddivisa in due sezioni: sezione di arricchimento (o rettifica) e sezione di esaurimento

(o strippaggio).

La corrente di vapore in uscita dalla testa della colonna viene fatta condensare in un apposito condensatore

per poi essere in parte reintrodotta sotto forma di liquido all’interno della torre e, in parte, estratta costituendo

il distillato. In fondo alla colonna, invece, la corrente di liquido in uscita viene, in parte, vaporizzata

mediante l’impiego di un ribollitore e, in parte, estratta costituendo il residuo (o fondo colonna). Facendo un

bilancio di materia globale su tutta la torre di distillazione si evince che, dalla corrente di alimentazione, si

otterranno due correnti: una di distillato ed una di residuo.

In questo modo si ottiene un processo a stadi in cui la fase liquida scende e la fase vapore sale. Cosa succede

in corrispondenza di ogni stadio?

Preso un qualsiasi stadio intermedio della torre, il vapore che proviene dal basso viene a contatto con il

liquido che proviene dall’alto, in questa circostanza si stabilisce un trasferimento di calore e materia tra

le due fasi. Il vapore, più caldo, venendo a contatto con il liquido, più freddo, si raffredda e, in parte, condensa;

il calore ceduto dal vapore al liquido verrà, in parte, utilizzato da quest’ultimo per vaporizzare parzialmente.

all’equilibrio.

Questo accade finché le due temperature non saranno uguali e le composizioni saranno quelle

DIMENSIONAMENTO COLONNA

Nell’ipotesi in cui nella colonna siano presenti solo due componenti, per dimensionare la colonna di

distillazione si può ricorrere ad un metodo grafico denominato metodo di McCabe-Thiele tramite il quale si

può determinare il numero di piatti necessario per il raggiungimento di determinate specifiche. Per spingere

si è soliti utilizzare torri di distillazione con “riflusso”.

sulla purezza della corrente di distillato L’aggiunta di questa

Il riflusso consiste nella reimmissione di parte di distillato in testa alla colonna.

corrente si è dimostrata fortemente benefica ai fini della separazione in continuo. Dal punto di vista

calcolativo l’introduzione di questa corrente di riflusso comporta la definizione di una nuova quantità: il

“rapporto definito come il rapporto tra la corrente

di riflusso”, che costituisce il riflusso e la corrente che

costituisce il distillato effettivamente estratto.

=

All’aumentare del rapporto di riflusso le prestazioni della colonna migliorano; di conseguenza, nel caso

di una colonna a piatti, il numero di piatti necessario a far avvenire la separazione diminuisce.

,

Il valore di tuttavia, non è totalmente arbitrario, ma presenta un limite superiore ed inferiore che non

potrebbero essere fisicamente superati:

• Il limite massimo consiste nel rapporto di riflusso unitario, ovvero riflussando tutta la corrente in

uscita dal condensatore (quindi senza estrarre distillato). Questa condizione, inconcl