IMPIANTI E PROCESSI CHIMICI. Esercitazione n 8 Progetto di colonne di distillazione binarie: bilancio entalpico ed economico (riflusso ottimo)

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1 IMPIANTI E PROCESSI CHIMICI Eserctazone n 8 Progetto d colonne d dstllazone bnare: blanco entalpco ed economco (rflusso ottmo) Graze ad un esempo c concentreremo sulla valutazone ottmale (n senso economco) del rapporto d rflusso che è una varable a dsposzone del progettsta che agsce n manera nversa su cost d nvestmento e su cost d eserczo. I dat del problema sono F=50 kmol/h, Z F =0.35, X =0.99, X B =0.01 Effettuamo alcun calcol prelmnar per caratterzzare l problema. I blanc sono scrtt per la spece pù volatle (Benzene): F B F z x Bx F B da cu s ottene: F zf x B x x B F B Assumendo, n prma approssmazone, che la pressone non var lungo la colonna, è possble calcolare la temperatura d ebollzone e d rugada delle mscele alle condzon dell almentazone e alle estremtà (testa e coda) della colonna (nfatt ne conoscamo la composzone). k ( T ) x 1 temperatura d ebollzone y 1 temperatura d rugada k ( T) azzerando le equazon rspetto a T s ottengono le temperature seguent: T [ K]; T [ K]; T [ K]; T [ K] ebf eb ebb dew In corrspondenza t tal temperature è valutable l valore della volatltà relatva e qund not quest tre valor d rfermento l valore medo d colonna. kbenz ( Tdew ) kbenz ( TebF ) kbenz ( TebB ) ; F 2.45; B 2.35; F B k ( T ) k ( T ) k ( T ) Tol dew Tol ebf Tol ebb Per prma cosa va calcolato l rapporto d rflusso mnmo (Rmn). In questo caso specfco, essendo la q-lne una lnea vertcale (q=1) l punto d ncontro avrà la stessa ascssa dell almentazone x =z F =0.35, e la y è calcolable mponendo la relazone d equlbro:

2 x y 1 1 x la cu soluzone è x =0.35 e qund y = Rmn x y Rmn 1 x x x y x x Rmn x y 1- x x Ora calcolamo Nmn (formula d Fenske). N mn 1xB x ln 1x x ln B a questo punto è possble utlzzare l dagramma d Gllland o le correlazon che legano tra loro rapport: N N ( N) N 1 R Rmn F( R) R 1 mn (N) F(R) Gllland Eduljee Molokanov qund, sceglendo un valore d R (che è la varable oggetto d ottmzzazone dal punto d vsta economco) s può determnare l numero d stad teorc necessar per l frazonamento. Utlzzando l espressone d Molokanov: F( R) F( R) 1 ( N) 1exp F ( R ) F ( R )

3 mn N N= 1 ( ) N + ( ) N ed l numero d stad real s calcola (con arrotondamento all ntero superore): N1 N 1 N patt_real = Ec 0.8 va tolto uno stado teorco perché è assocato al rbolltore (che è uno stado con effcenza untara). Ora è necessaro ntrodurre l blanco entalpco per determnare le rcheste d frgore e calore e qund relatv cost. FH Q H BH Q F R B C e corrent n entrata e n uscta dall untà sono corrent lqude a temperatura nota. Qund l calcolo dell entalpa, prendendo come rfermento 298 K è: benz tol H Cp x Cp x T kcal / kmole F benz F tol F ebf H Cp x Cp x T kcal / kmole benz benz tol tol eb H Cp x B benz Bbenz Cp x T kcal / kmole tol Btol ebb a corrente entrante nel condensatore è vapore al punto d rugada: benz tol H y H Cp T y H Cp T V ev V ev V benz benz dew tol tol dew kcal / kmole I blanc materal per due tronch c consentono d calcolare cost legat allo scambo termco: V R1 ; V ' V q 1 ; R; ' qf F V R ; R17.347; ' R kmol/ h a potenza termca da sottrarre al condensatore rsulta: V V Q V H H R1 H H R kcal/ h C e graze al blanco entalpco è possble stmare la potenza termca da fornre al rbolltore. Q Q FH H BH R kcal/ h R C F B

4 ora resta da valutare, per costrure la funzone costo totale, l dametro della colonna con l vncolo d una veloctà massma d 0.3 m/s d rsalta del vapore. a portata d vapore V=V perché l almentazone è lqudo bollente. E necessaro capre quale sa la sezone controllante. Vsto che la portata molare rsalente è la stessa sarà controllante la sezone n cu la concentrazone totale è pù bassa (poché necessterà d una veloctà d rsalta del vapore pù alta). Ctot P / RT Ctot 1 atm / T kmol / m m atm n testa s ha kmol k dew 3 3 a pressone n coda alla colonna sarà pù elevata, graze alle perdte d carco su patt. Per un numero d patt real par a 30 s ha una perdta d carco par a: P N / m atm Pcoda atm atm / T kmol / m 2 3 ebb a sezone controllante è qund (quas sempre, per colonne con un numero d patt superore a 13) quella d testa, per cu è possble esprmere l dametro della colonna n funzone del rapporto d rflusso. etta V=(R+1) (blanco materale testa colonna) la portata d vapore che rsale nel tronco superore: 2 V kmol h R s/ h / 3600R 1 C vlm C R1 m 4 kmol C v C tot 3 m lm tot E possble n questo modo valutare ogn sngolo elemento della funzone obettvo economca: a) costo d nstallazone della colonna=930*c 1.6 *N pattreal 0.6 b) costo delle untà d scambo termco=crc=11*q R c) totale nvestto=(c colonna +C untà_scambo )*2 d) costo d eserczo su base annua [euro/anno]=5e-6*q R (kcal/h) *8500 h/anno e) quota ammortzzable per anno= 10% totale nvestto f) =>Costo Totale Annuo= costo d eserczo+quota ammortamento Con quest dat a dsposzone s ottene una funzone Costo totale annuo che presenta un mnmo centrato attorno al rapporto R/Rmn=1.1

5 Costo totale annuo [euro] R/Rmn Moltplcatore Rmn Reffettvo F(R) (N) Nteorc Qc (kcal/h) Qr (kcal/h) C (m) Nreal

6 Cond- Costo Costo Costo totale Rboll colonna nstallazone Totale nvest eserczo quota ammort annuo