Progettazione di Impianti Chimici - Colonna A Riempimento

Colonne a riempimento

Apparecchiatura che attraverso un corpo di riempimento realizza una superficie di contatto tra g e l.

• Riempimenti di diversi tipi: anelli raschig, ceramici, metallici o in plastica; i riempimenti sono solidi inerti che fungono da supporto.

Lo scambio di materia può avvenire in equi o contro corrente; il liquido va sempre dall'alto verso il basso, il gas può andare in tutti e 3 i versi.

• EQUICORRENTE → bassa H.motrice perché realizza un solo stadio teorico → adatto solo per processi di assorbimento chimico - unico vantaggio: aumenta la gas capacity.

• CONTROCORRENTE → sol. + comune

Lo scambio di materia avviene continuamente (non come nella col. a piatti dove avevo una zona d’'cambio e una d’'separazione); NON è un’apparecchiatura a stadi ma un’apparecchiatura continua.

1. RIEMPIMENTI
   • Griglie: travi di legno posizionate dentro alla colonna; le griglie moderne sono elementi metallici o polimerici, caratterizzate da un’area d’'scambio pe’'unità di volume relativamente bassa e riemp. graduale di vuoto → poco efficaci per lo scambio di materia (spesso usate per lo scambio di calore).
   • Random «casuali»: anelli o forme complesse; vantaggio: essendo disposti casualmente mescolano continuamente il liquido facendo cambiare direzione anche al gas e creando un buon miscuglio di materia.
   • Strutturati: corpi di riempimento realizzati con geometrie ottimizzate dal punto di vista FD.

Parametri principali di riempimenti

• Superficie bagnabile (specifica) = m² sup. riempimento / m³ col. occupata dal riemp.

Parametro geometrico che indica quanti m² di superficie geometrica sono occupati del riempimento.

• f grado di vuoto = m³ occupati dal gas / m³ col. occupati dal riemp.

volume occupato dal riempimento

a = m² sup. disponibile per trasf. materia / m³ col. occupata dal riempimento ≈ S_s q: sup. per unit a di riempimento.

Nota: S_s parametro geometrico; a parametro influenzato dalla FD

Colonne a riempimento

Apparecchiatura che attraverso un corpo di riempimento realizza una superficie di contatto tra g e l.

Riempimenti di diversi tipi: anelli rashing, ceramici, metallici o in plastica; i riempimenti sono solidi inerti che fungono da supporto.

Lo scambio di materia può avvenire in equi o contro corrente; il liquido va sempre dall'alto verso il basso, il gas può andare in tutti e 2 i versi.

• EQUICORRENTE → bassa H. Motrice perché realizza un solo stadio teorico → Adatto solo per processi di assorbimento chimico. Unico vantaggio: aumenta la gas capacity.
• CONTROCORRENTE → sol. + comune

Lo scambio di materia avviene continuamente (non come nelle col. a piatti dove avevo una zona di scambio e una di separazione); NON E' un'appropriatura a stadi ma un'approcciatura continua.

RIEMPIMENTI

• Gliglie: travi di legno posizionate dentro alla colonna; le griglie moderne sono elementi metallici o polimerici, caratterizzate da un'area di scambio più vasta di volume e relativamente bassa e irregolare, gradi di vuoto → poco efficaci per lo scambio di materia (spesso usate per lo scambio di calore).
• Random: "anelli" di forme complesse; vantaggio: essendo disposti casualmente mescolano continuamente il liquido facendolo cambiare direzione aiutando così il gas e creando un buon scambio di materia.
• Strutturati: Corpi di riempimento realizzati con geometrie ottimizzate dal punto di vista FD.

PARAMETRI PRINCIPALI DEI RIEMPIMENTI

• S_a superficie bagnabile (specifica) = ^{m2 sup. riempimento} / _{m³ col. occupata dai riemp.}

Parametro geometrico che indica quanti m² di superficie geometrica sono occupati dal riempimento

• Ɛ grado di vuoto = ^{m3 occupati dal gas} / _{m³ col. occupati dai riemp.}

V_c,_k= ζ ∙ A_c volume occupato dal riempimento

↓ ↑ altezza sezione caso lim. colonna

• a = ^{m2 sup. disponibile per trasf. materia} ≈ S_a ∙ ^{sup. per unità del riempimento} / _{m³ col. occupata dai riempimenti}

Nota: S_a parametro geometrico; a parametro influenzato dalla FD

Ug_vuota = Gv / Ac

vel. gas colonna vuota

Ug_{riempimento asciutto} = Gv / Ac ε

vel. gas colonna con riempimento asciutto (no liquido)

Più è piccolo ε, più è grande ug.

Generalmente si cerca di avere basse ug quindi bisogna cercare un riempimento con ε il più grande possibile.

Per quanto riguarda ε anche questo deve essere mantenuto il + alto possibile.

Lo scambio di materia inoltre dipende dal coefficiente di scambio di materia, quindi dalla turbolenza del gas, per questo motivo esistono diversi tipi di riempimento per cercare di ottimizzare la FD.

I riemp. strutturati rispetto ai random hanno:

• ε
• circa steso a
• geometria ordinata
• HETP altezza di riempimento corrispondente all'unità di trasferimento
• a parità di altezza migliori prestazioni
• maggior costo (10 anni fa costavano l’ 1.0 di più dei random)

COL. a PIATTI / RIEMPIMENTI

Tradizionalmente la colonna a piatti era sempre usata per distillazioni e per assorbimenti/stripping quando c’era da trattarsi impurtente dal punto di vista del numero di unità di trasferimento (Molti stadi teorici).

Il riempimento una volta era random ed venivano usati solo nel caso di fluidi corrosivi (perchè i piatti sono sempre metallici). Con il miglioramento dei riempimenti le colonne a riempimento sono diventate le colonne di riferimento anche per trasferimenti di materia che richiedono bassi stadi teorici (Lavage, tratt. dist.). Inoltre i riempimenti strutturati possono permettere a parità di Dc una velocità del gas maggiore risp. alle colonne a piatti e di conseguenza portate di gas maggiori.

• COL. O RIEMPIMENTO

• distillazioni e operazioni che richiedono molti stadi teorici
• STRUTTURATI
• applicazioni con meno stadi teorici
• RANDOM

• COL. O PIATTI

• fluidi sporcanti (perchè il riempimento quando si sporcano va buttato, il piatto è più semplice da pulire)

Elementi strutturali

• testa e fondo colonna sono pressochè analoghi a quelle delle colonne a piatti
• c'è una griglia che sostiene il riempimento
• cono di riempimento
• colatura a griglia per evitare che il riempimento venga fluidizzato (sparato verso l’alto)
• distributore del liquido per avere omogeinita del L. in tutto il diametro della colonna

Altezza max del riempimento → 4 mperchè il liquido scedulanto tenda a mal distribuirsi, cioè ad andare nelle zone dove il riempimento è meno denso, quindi dove c'è un maggior grado di vuoto fra le parete.Per garantire che il riempimento sia tutto bagnato bisogna quindi, ad altezza regola, distribuirre il liquido e ridistribuirlo

6) DISTRIBUTORI di LIQUIDO→ tubo centrale con tubi trasversali e fori, sui fori possono essere posizionati ugelli distributori oppure la distribuzione può avvenire per gocciolamento dagli ugelli che realizzando taglio alla parte alto → zone con linee forate alternate a canalí che permettono il passaggio del gas

Per catturare il liquido generalmente si usa un piatto a camino: piatto con un foro al centro e un canalino circolatice il liquido viene raccolto sul piatto e successivamente inviato al distributore.

I le CRIGLIE di supporto possono avere forme diverse; le più usate hanno elementi in rilievo che impediscano l'interferenza tra e e Q

FENOMENI che LIMITANO FUNZIONAMENTO FD delle col RIEMPIMENTO

• FLOODING

Se govisidero assenza di gas il liquido ha un profiloparabolico, nullo alla parete e massimo sulla superficiedel film.Se invio gas verso l'alto:→ ug bassa = non succede nulla → ug alta = il gas inizia a esercitare forze di taglio sulla superficie del liquido (dovute attrito); queste forze influenzeranno la velocità del liquido che assume un profilo instabile perchè il liquido inizia a ricercarsi con velocità magda del grado diminuise

L_vol

Um_{no gas} = ─────────── = vel. media del liquido in assenza del gasS_L · L

Um_g = ─────── = vel. media del liquido in presenza del gas S^*·L

Um_g < Um₁,no gas = > S^* > S_L = lo = presore del liquido aumenta→ fenomeno del LOADING (caricamento br>del riempimento)

LOADING: la velocità del gas diventa sufficentemente elevata da generare forze al taglio dcie disutibanla il moto del liquido, dimuniscono la vel. media del liquido e aumentano la spessore. → fenomeno POSITIVO perchè aumenta la superficie di cambio.

Man mano che il loading si intensifica si arriva a uno stato in cui la velocità media del liquido si annulla, quindi il liquido non scende più nel riempimento · il liquido si accumula sulla testa del riempimento → FLOODING = riempimento Allogato di liquido