SEQUENZE DI COLONNE DI DISTILLAZIONE

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1 SEQUENZE DI COLONNE DI DISTILLAZIONE Distillazione => operazione unitaria di separazione più impiegata nell'industria. L'agente di separazione è il calore => non contamina la miscela da separare. Operazione ad alto consumo energetico:=> l'energia richiesta dai processi di distillazione è in genere la voce più importante dei costi energetici di molti processi. Colonna semplice => separa la miscela di alimentazione in due prodotti prodotto di testa più volatile prodotto di fondo meno volatile; un condensatore che garantisce il riflusso di liquido un ribollitore che fornisce la portata di vapore alla sezione di esaurimento. In una colonna semplice, nell approssimazione di sistema adiabatico, lo scambio di energia avviene in questi due scambiatori. Se sono richiesti più di due prodotti, la separazione si può realizzare tramite diverse colonne semplici in serie. n componenti (n > 2) e n prodotti => n-1 colonne semplici L impianto sarà equipaggiato con n-1 condensatori e n-1 ribollitori. 57

2 Sequenze di colonne in serie: 3 Prodotti A) Diretta => ciascuna colonna è alimentata con il residuo della precedente B) Inversa => ciascuna colonna è alimentata con il distillato della precedente. Ulteriore sequenza => prefrazionamento della miscela Il numero di colonne utilizzato nell impianto è superiore ai casi precedenti. Il numero di configurazioni, intermedie rispetto alla diretta e all inversa, cresce con l aumentare del numero di prodotti 58

3 4 Prodotti. Diretta Diretta Inversa Distribuita Inversa Diretta Inversa 59

4 Ulteriori configurazioni possono essere ottenute considerando colonne di prefrazionamento. Le pressioni di esercizio delle colonne della sequenza possono essere variate senza vincoli particolari al di là del loro ordine sequenziale => possono essere ottimizzate separatamente. Non sempre le pressioni ottimali sono in sequenza Al crescere del numero di prodotti cresce ovviamente il numero delle configurazioni di colonne semplici Per la separazione di una miscela in n prodotti (King, 1980): N n = 2(n - 1)! n!(n - 1)! Dove N n rappresenta il numero di possibili sequenze. 60

5 Colonne termicamente accoppiate Sostituire ribollitori e condensatori con una connessione bidirezionale liquido vapore. A Alimentare le correnti di vapore o di liquido provenienti dall ultimo stadio delle sezioni direttamente alla sezione successiva. Il consumo energetico è di solito minore Diminuiscono le variabili controllabili Temperature delle utilities più estreme Diametri delle colonne maggiori Pressioni vincolate 61

6 Schemi TC per un sistema a tre prodotti Ribollitore della diretta alla massima T Condensatore dell inversa alla minima T La sequenza con prefrazionamento ha ancora 2 condensatori e 2 ribollitori => parzialmente accoppiata 62

7 Sequenze di colonne termicamente accoppiate per cinque prodotti. 63

8 Schemi Termodinamicamente Equivalenti Stesse portate in ogni sezione indipendentemente dall unità in cui si trovano. a b Si ottengono trasferendo una sezione da una colonna all altra della sequenza. c d La sezione svolge sempre la stessa funzione, indipendentemente dalla posizione. 1. Colonna principale (MC) condensatore, ribollitore e connessioni laterali. 2. Side Stripper (SSC): solo ribollitore. 3. Side Rectifier (SRC): solo condensatore. 4. Colonna Semplice (SC): alimentazione, 2 prodotti condensatore e ribollitore. 64

9 Il numero delle sezioni di una colonna in uno schema complesso è uguale al numero di sezioni in una sequenza di colonne semplici, 2(n-1). Un side stripper è connesso alla sezione di arricchimento di un altra colonna, un side rectifying è connesso alla sezione di esaurimento di un altra colonna. Una colonna satellite può essere connessa con la colonna principale o con altre colonne satellite. Colonne semplici possono essere usate in qualunque punto di una configurazione complessa. Una colonna satellite ha solo un prodotto: distillato in un side rectifier e residuo in un side stripper. In tutte le configurazioni di colonne, semplici o termicamente accoppiate: Il componente più volatile dell alimentazione deve essere necessariamente separato nella sezione di arricchimento di una colonna equipaggiata con un condensatore, Il componente meno volatile deve essere necessariamente separato nella sezione di esaurimento di una colonna equipaggiata con un ribollitore. La separazione dei componenti medio-bollenti della miscela non è univoca. 65

10 Classificazione di Sequenze di Colonne di distillazione Euristiche Prima la separazione più difficile o Volatilità relativa circa1 o Azeotropo Favorire la sequenza diretta Rimuovere prima il componente in largo eccesso Favorire portate molari uguali nelle colonne Quantitative TAC => Progetto delle unità calcolo dei costi fissi e variabili di ciascuna configurazione Variabili approssimate => carico di vapore totale ΣV duties proporzionali a ΣV. diametro della colonna aree degli scambiatori di calore non tiene conto del numero di stadi 66

11 Progettazione di Impianti con Colonne TC Scelta dei componenti chiave: Componenti singoli Gruppi di componenti Calcolo del numero di stadi e del rapporto di riflusso in ogni sezione Metodi short-cut (FUG) Portate molari e volatilità relative costanti. Classificazione delle configurazioni Simulazione rigorosa Scelta e progetto finale Volatilità relative Indipendenti dalla composizione => valori tipici della sezione Dipendenti dalla composizione I parametri di progetto ottenuti per colonne semplici devono essere aggiustati per la configurazione complessa. Le portate di vapore tra le sezioni termicamente accoppiate delle colonne semplici bilanceranno i riflussi e i boilup eliminati rimuovendo ribollitori e/o condensatori dalle sequenze di colonne semplici. 67

12 Distillazione atmosferica del petrolio Impianto termodinamicamente equivalente a una sequenza indiretta di colonne termicamente accoppiate Ribollitori sostituiti con iniezione diretta di vapore acqueo (steam distillation) E possibile ottenere differenti configurazioni di impianto a partire da sequenze differenti. 68

13 Steam distillation L utilizzo di vapore d acqua consente la riduzione della pressione parziale degli idrocarburi, e quindi della temperatura di vaporizzazione della miscela, in ogni stadio del frazionamento. Sistema trifase, un vapore e due liquidi completamente immiscibili p HC = N N HC HC + N St P Dove: N HC portata molare di idrocarburi in fase vapore ; N St : portata molare di vapore d acqua; p HC pressione parziale della miscela di idrocarburi; P pressione totale del sistema Fissata la pressione totale del sistema, la pressione di vapore degli idrocarburi, e quindi la temperatura del sistema, è sicuramente inferiore alla T di saturazione del componente più volatile alla P del sistema. 69

14 Esempio: 1000 T [ C] % Vol Sequenze esaminate A. Leggeri. 6.7% B. Benzina Pesante 14.0% C. Gasolio Leggero 20.9% D. Gasolio Pesante 2.9% E. Residuo 55.5% B/CDE C/DE D/E (1) CD/E C/D (2) A/BCDE BC/DE B/C D/E (3) AB/CDE ABC/DE BCD/E A/B D/E B/CD C/D (4) BC/D B/C (5) C/DE D/E (6) CD/E C/D (7) A/BC B/C (8) AB/C A/B (9) AB/CD A/B C/D (10) ABCD/E A/BCD ABC/D B/CD C/D (11) BC/D B/C (12) AB/C A/B (13) A/BC B/C (14) 70

15 Confronto tra le quantità di calore da fornire (A) e sottrarre (B) in tutte le configurazioni esaminate: valori normalizzati rispetto alla configurazione attuale A B Configurazione Ottimale A1 A AB B VAP ABC VAPOR B C C D D VAPO VAPO E E 71

16 INTEGRAZIONE TERMICA DI COLONNE DI DISTILLAZIONE A. Integrazione della sequenza B. Integrazione delle singole colonne nella rete Sequenza Due colonne consecutive non accoppiate Pressioni decrescenti Pressioni crescenti Q Q T sufficienti Pompe 72

17 Due colonne della sequenza Caso limite => tutte le unità nominalmente alla stessa P Per una miscela con più di tre componenti, per ogni configurazione possibile, esiste sempre una coppia di componenti medio-bollenti tale che: il più leggero tra i due (LMC) è separato nella sezione di esaurimento in una colonna con ribollitore il più pesante (HMC) è separato nella sezione di arricchimento di una colonna con condensatore ovviamente diversa dalla prima. Il ribollitore associato con la separazione di un LMC ed il condensatore associato alla separazione di un HMC possono essere integrati anche in presenza di accoppiamenti termici. può esistere una differenza di temperatura utile tra i prodotti LMC e HMC. P differenti => maggiori possibilità La migliore sequenza senza HI è la migliore anche con integrazione In presenza di componenti oltre i chiave Aumentano i carichi Aumentano le differenze utilizzabili 73

18 Integrazione nel sistema CORSO DI IMPIANTI CHIMICI II: PROCESSI DI SEPARAZIONE DI MISCELE COMPLESSE Q C = Q Cmin + q C Q H Q C Q C Q H Q H = Q Hmin + q R Q C = Q Cmin + q C q R Q H Q H = Q Hmin - q C Q H Q C Q C Q H = Q Hmin + q R q C Q C = Q Hmin q R 74

19 Rappresentazione della colonna nella GCC Un parallelogramma, lati orizzontali pari a q C e q R Inserimento ottimale QH T- T/2 80 qr qc Duty al ribolliture da utility esterna Calore restituito al sistema dal condensatore QC Q T- T/2 80 QH Preleva calore dal sistema al ribolliture Calore rimosso al condensatore da utility esterna qr qc QC Q 75

20 Inserimento errato CORSO DI IMPIANTI CHIMICI II: PROCESSI DI SEPARAZIONE DI MISCELE COMPLESSE QH QH qr qr T- T/2 qc T- T/2 qc QC QC Q Q Possibili Modifiche per consentire l integrazione corretta T-DT/2 q R q C q R Schema a doppio effetto senza integrazione interna, integrato nel sistema q C Q Colonna con condensatore intermedio q R q C1 q C2 76