Separazione Acqua - Etanolo

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1 Acqua - Etanolo L etanolo viene prodotto principalmente per via fermentativa, in forma di soluzione acquosa diluita La separazione dell etanolo dall acqua è resa complicata dalla presenza di un azeotropo In questo lavoro finale si vogliono simulare e mettere a confronto due diversi schemi di distillazione che si possono utilizzare per separare miscele acqua-etanolo Pressure Swing Distillation(PSD) Distillazione azeotropica con aggiunta di Benzene 1

2 Metodi di purificazione dell etanolo La soluzione acquosa diluita viene concentrata in una colonna di distillazione che lavora a 1 atm: dalla testa si recupera l azeotropo acqua-etanolo (frazione molare di alcool 0.885) dal fondo si ottiene acqua PSD La concentrazione dell azeotropo si sposta verso il componente meno volatile aumentando la pressione Inviando l azeotropo ad una seconda colonna, che opera a pressione maggiore della prima, si ottiene etanolo dal fondo e il nuovo azeotropo in testa: quest ultimo viene ricircolato in alimentazione alla prima colonna 3

3 Metodi di purificazione dell etanolo PSD 4

4 Metodi di purificazione dell etanolo Distillazione azeotropica L aggiunta di un terzo componente alla miscela acquaetanolo porta alla formazione di un azeotropo ternario. L azeotropo si recupera in testa alla colonna, mentre dal fondo si ottiene l etanolo L azeotropo ternario, dopo condensazione, smescola in due fasi: quella organica è riflussataalla colonna, mentre quella acquosa è inviata in una seconda colonna La seconda colonna separa in testa l azeotropo binario, che è ricircolato alla prima colonna, e in fondo l acqua. Tutte le colonne lavorano a pressione atmosferica Come agenti di trascinamento si possono usare benzene, cicloesano, cicloeptano, ecc. 5

5 Metodi di purificazione dell etanolo Distillazione azeotropica 6

6 Simulazione del processo Si è utilizzato il software Pro/II I sistemi termodinamici Wilson e UNIFAC prevedono correttamente l azeotropo binario acqua-etanolo Il sistema Alcool prevede correttamente l azeotropo ternario acqua-benzene-etanolo e il suo smescolamento Alimentazione: 1000 kmol/hi di miscela acquosa di etanolo all 8% molare Specifiche: Purezza etanolo: 99.6% molare Purezza acqua: 99.9% molare 7

7 Colonna 1: concentrazione dell etanolo Pressione = 101 kpa 30 stadi teorici Specifiche di separazione Distillato: EtOH = 0.86 Residuo: H 2 O =

8 Schema PSD La seconda colonna lavora a 1010 kpa(circa 10 atm) Composizione azeotropo P (atm) Fraz. mol. EtOH 1 0, ,812 P = 10 atm 30 stadi teorici P = 1 atm Specifiche di separazione Distillato: EtOH = 0.83 Residuo: EtOH=

9 P = 101 KPa T testa = 78,0 C T fondo = 99,5 C P = 1010 KPa T testa = 150 C T fondo = 151 C 12

10 Schema Distillazione Azeotropica 14

11 Confronto Schema PSD N stadi teorici Diametro (m) E Qcond (MkJ/hr) Qrib (MkJ/hr) Colonna 1 bassa P 30 1,676 2,45-12,4 16,9 Colonna 2 alta P 30 2,896 6,15-45,4 49,4 Consumi totali -57,8 66,3 Schema Distillazione Azeotropica N stadi teorici Diametro (m) E Qcond (MkJ/hr) Qrib (MkJ/hr) Colonna 1 concentrazione 30 1,676 2,45-12,4 16,9 Colonna 2 azeotropica 30 1,372 1,14-8,8 8,88 Colonna 3 recupero acqua 30 1,219 7,48-6,0 6,66 Consumi totali -27,2 32,44 17

12 Conclusioni Le condizioni operative del processo PSD sono più impegnative rispetto alla distillazione azeotropica la seconda colonna lavora a pressione piuttosto alta (10 atm), avrà maggiori spessori e sarà necessaria una pompa più potente, con maggiori consumi, per trasferire il liquido Le colonne dei due schemi hanno lo stesso numero di stadi, ma quelle della PSD hanno diametro maggiore I consumi energetici dello schema PSD sono circa doppi rispetto a quelli della distillazione azeotropica Dal confronto risulta più conveniente operare con lo schema di distillazione azeotropica 19