Struttura generale di un processo chimico

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1 1. Introduzione Struttura generale di un processo chimico Preparazione delle materie prime Reazione Purificazione dei prodotti Operazioni Unitarie: - Riscaldamento - ComminuzioneSize reduction - Miscelazione Ricircolo Operazioni Unitarie: - Refrigerazione - Distillazione - Estrazione - Essiccamento

2 2. Distillazione Distillazione continua in singolo stadio Flash Distillate D, D Demister Feed F, z F Scambiatore di calore Bottom product B, B Unità di Flash

3 2. Distillazione Distillazione flash continua Curva di equilibrio Retta di bilancio di massa: D 0 < q < 1 q = 0 q 1 D B z F 1 q 1 q q L F q = 1 B z F

4 2. Distillazione Distillazione continua con riflusso V, Q* C Condensatore Colonna di Distillazione Alimentazione F, z F Riflusso L, D Distillato D, D V, Q* H L, Ribollitore Residuo B, B

5 2. Distillazione Distillazione di una miscela binaria in colonna con riflusso; l alimentazione è al punto di bolla Metodo di McCabe-Thiele per determinare il numero di stadi teorici Curva di equilibrio 1 2 Retta di lavoro della zona di rettifica 3 D R 1 Retta di lavoro della zona di esaurimento 4 B F D 4 stadi teorici = 3 stadi teorici + ribollitore

6 2. Distillazione Metodo di McCabe-Thiele per l analisi degli stadi teorici 1 D 1 (condensatore totale) R 1 2 = 1 + D R +1 R +1 R 1 3 = 2 + D R +1 R +1 Stadio 1 Stadio 2 Stadio 3 equil 1 1 equil 2 2 e così di seguito...finchè si raggiunge la composizione di fondo

7 2. Distillazione di una miscela binaria in colonna con riflusso: analisi di diverse condizioni termodinamiche dell alimentazione q La retta di alimentazione calore necessario per vaporizzare 1 mole di alimentazione alle condizioni di ingresso calore molare latente di vaporizzazione dell' alimentazione q > 1 D R 1 q = 1 0 < q < 1 q = 0 q 1 z 1 q 1 q q H H F F DEW DEW H H F F BOILING F q < 0 q è determinato dallo stato termodinamico dell alimentazione B z F z F q D Per l assegnato rapporto di riflusso, q = 0 e q < 0 non sono condizioni possibili!!!

8 2. Distillazione di una miscela binaria in colonna con riflusso La retta di alimentazione q = 1 q > 1 0 < q < 1 D R 1 q = 0 D R 1 mod q < 0 B z F All aumentare del riflusso, anche q = 0 e q < 0 sono possibili z F e D

9 2. Distillazione di una miscela binaria in colonna con riflusso Rapporto di riflusso minimo R min D R 1 min B z F F q D

10 2. Distillazione di una miscela binaria in colonna con riflusso Rapporto di riflusso minimo R min D R 1 min B z F z F q D La retta operativa non può intersecare la curva di equilibrio!

11 2. Distillazione di una miscela binaria in colonna con riflusso Minimo numero di stadi teorici N min B D Minimo numero di stadi teorici: N min = 3

12 costo 2. Distillazione di una miscela binaria in colonna con riflusso Rapporto di riflusso optimum R opt Costi totali Costo minimo Energia Apparecchiatura R min R opt R

13 2. Distillazione di una miscela binaria in colonna con riflusso Consumo di energia (calore) di una colonna V, Q* C Bilancio di calore per il condensatore Colonna di Distillazione F, F L, D Condensatore D, D. * C D L V Q = -Dh - Lh +Vh L R= D h = h D L h - h = Δh V D V Q = (1+ R) D Δh * C V V, Q* H Bilancio di calore per la colonna.. Q = Dh + Bh - Fh +Q * * H D B F C L, Ribollitore. Q H ~ v B, B. Q C ~ v

14 2. Distillazione di una miscela binaria in colonna con riflusso Efficienza globale di piatto ed efficienza di Murphree Motivi per i quali l efficienza è < 100 %: Limitato tempo di contatto tra fasi liquida e vapore Trascinamento di goccioline di liquido per elevate velocità del vapore (retromiscelazione della fase liquida) (backmiing) Miscelazione forward della fase liquida per basse velocità del vapore (gocciolamento) (raining, weeping) Efficienza globale, valore medio dell intera colonna: N N teorico reale Efficienza di Murphree, valore per un piatto (stadio di equilibrio): M n n 1 equil n n 1

15 2. Distillazione di una miscela binaria in colonna con riflusso Efficienza globale di piatto ed efficienza di Murphree Efficienza di Murphree, valore per un piatto (stadio di equilibrio): M n n 1 equil n n 1 equil n n n 1

16 2. Distillazione di una miscela binaria in colonna con riflusso Progetto della colonna Bilanci di materia Retta di alimentazione Rapporto di riflusso minimo Numero di stadi teorici e stadio di alimentazione Numero effettivo di stadi o altezza del riempimento Bilanci entalpici Diametro della colonna (efficienza optimum) Distanza tra i piatti (trascinamento) Discendente (downcomer)