Una colonna di rettifica, funzionante a pressione atmosferica, viene alimentata in continuo da 200 kmol/h di una miscela formata da 40 % di benzene e

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1 4 ITIS Marconi Forlì V m L Dicembre 204 D F V' Roberto Zannoni V B VB L' W

2 Una colonna di rettifica, funzionante a pressione atmosferica, viene alimentata in continuo da 200 kmol/h di una miscela formata da 40 % di benzene e del 60% di toluene, liquida con il 30% di vapore alla temperatura di ebollizione. Il vapore che si sviluppa dal primo piatto della colonna viene condensato in un condensatore nel quale viene utilizzata acqua che entra a 20 C ed esce a 55 C. Il ribollitore di coda serve per far evaporare il residuo che sotto forma di vapore rientra in colonna e impiega come fluido riscaldante un vapore acqueo alla pressione di 3 ata. Sapendo che il distillato presenta una composizione in benzene del 95%, il prodotto di coda una composizione del 97% in toluene e il rapporto di riflusso vale,4 volte quello minimo, determinare: le portate di distillato e di fondo (residuo) il numero dei piatti teorici Il numero dei piatti effettivo sapendo che l'efficienza del processo è del 78% L'acqua necessaria per il condensatore Il vapore necessario per il ribollitore Il diametro della colonna nella zona di esaurimento e di arricchimento sapendo che la velocità dei vapori è di 0,80 m/s La superficie di scambio del condensatore di testa se il suo coefficiente globale di scambio termico vale 7200 kj/(h m2 C). La superficie di scambio del ribollitore di coda se il suo coefficiente globale di scambio termico vale 6200 kj/(h m2 C).

3 I dati (che si possono trovare sui manuali) necessari sono i seguenti: Masse molecolari: benzene 78 toluene 92 e acqua 8 La temperatura di alimentazione è di 86,2 C La temperatura del prodotto di testa è di 8,0 C La temperatura del prodotto di coda è di 0 C Il calore latente di condensazione del vapore di testa è di kj/kmol Il calore latente di ebollizione del prodotto di coda è di kj/kmol Il calore specifico dell'acqua di raffreddamento 75,3 kj/(kmol C) Il calore latente di condensazione del vapore di rete impiegato nel ribollitore di coda kj/kmol e la sua temperatura è di 33,5 C Il calore specifico dell'alimentazione 36,2 kj/(kmol C) Il calore specifico del prodotto di testa 33,5 kj/(kmol C) Il calore specifico del prodotto di coda 39,6 kj/(kmol C) I dati per disegnare la curva del diagramma di equilibrio sono inseriti nella tabella sottostante. x 0,82 0,66 0,5 0,38 0,26 0,5 0,06 0 y 0,92 0,83 0,72 0,60 0,45 0,30 0,3 0

4 RILEGGIAMO ed evidenziamo i dati aggiungendo i simboli e le sigle: Una colonna di rettifica, funzionante a pressione atmosferica, viene alimentata in continuo da F=200 kmol/h di una miscela formata da z F = 40 % di benzene e del 60% di toluene, liquida con il 30% di vapore alla temperatura di ebollizione (ci serve per trovare q=). Il vapore che si sviluppa dal primo piatto della colonna viene condensato in un condensatore nel quale viene utilizzata acqua che entra a 20 C ed esce a 55 C. Il ribollitore di coda serve per far evaporare il residuo che sotto forma di vapore rientra in colonna e impiega come fluido riscaldante vapore acqueo alla pressione di 3 bar. Sapendo che il distillato presenta una composizione in benzene del = 95 %, il prodotto di coda una composizione del 97% (ci indica che x W = 0,03) in toluene e il rapporto di riflusso vale R=,4Rmin volte quello minimo, determinare: le portate di distillato (D) e di fondo (W) (residuo) il numero dei piatti teorici (devo costruire il grafico x/y, trovare q, da cui Rmin da cui R che mi fa trovare y per la retta di lavoro della zona di arricchimento e quella di esaurimento disegnare le linee orizzontali e verticali e contare le orizzontali) Il numero dei piatti effettivo sapendo che l'efficienza del processo è del 78% (Npp= Npt/0,78) L'acqua necessaria per il condensatore (occorre trovare L e V da cui si ricava la quantità di calore Q=V*λv da togliere con l'acqua Q = m Cp (T2-T) ) Il vapore necessario per il ribollitore (occorre trovare V' e L' da cui si ricava la quantità di calore Q'=V'*λv' da dare con il vapore di rete Q' = VB*λvB Il diametro della colonna nella zona di esaurimento e di arricchimento sapendo che la velocità dei vapori è di 0,80 m/s La superficie di scambio del condensatore di testa se il suo coefficiente globale di scambio termico vale 7200 kj/(h m2 C). (Q=A*U* Tml occhio alle unità di misura) La superficie di scambio del ribollitore di coda se il suo coefficiente globale di scambio termico vale 6200 kj/(h m2 C). (Q'=A*U* T occhio alle unità di misura)

5 Bilanci di materia: F = W + D F * zf = D * xd + W * xw z F - x W D = F * x W D = 200 (0,4 0,03)/(0,95 0,03) = 80,43 kmol/h W = ,43 = 9,57 kmol/h W = F - D V L m D Dal testo (frazione liquida dell'alimentazione): F q = 0,7 V' q y = * x * zf q - q - V B W VB L' Per x = 0 sarà y = - 0,4/(0,7-) = 0,4/0,3 =,33 non riesco a disegnarlo allora calcolo y con x = 0,2 y = 0,2*0,7/(0,7-)-0,4/(07-)= 0,867 che inserito nel diagramma mi permette di disegnare la retta q.

6 DETERMINAZIONE DEL RAPPORTO DI RIFLUSSO MINIMO Ne risulta il segmento -4 che interseca la curva di rugiada nel punto 5 Disegnamo la semiretta che parte dal punto 2 e passa dal punto 5 che andrà ad incrociare l'asse delle y nel punto y Rmin yrmin = R min = R min + yrmin - =,88 = 0,33 (dal diagramma) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 y 4 y F 0,4 5 diagramma x/y 2 0,3 R = 2,7 *,4 = 2,63 0,2 0, , 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 x W z F x

7 DETERMINAZIONE DEL RAPPORTO DI RIFLUSSO MINIMO Con tale valore del rapporto di riflusso si possono disegnare le rette di lavoro nella zona di arricchimento (con x = 0 si ottiene y) y = R R+ * x + R+ * 0,9 0,8 0,7 4 diagramma x/y 2 y = = 0,95/(2,63+) = 0,26 R+ 0,6 5 Disegnamo la semiretta che parte dal punto 2 e passa per y = 0,26 che andrà ad incrociare la retta q nel punto 6 0,5 y 0,4 6 Disegnamo adesso il segmento della retta di esaurimento che parte dal punto 3 e passa per il punto 6 0,3 0,26 0,2 Ripuliamo il grafico cancellando le linee che non interessano. 0, , 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 x W z F x

8 DETERMINAZIONE DEL RAPPORTO DI RIFLUSSO MINIMO Con tale valore del rapporto di riflusso si possono disegnare le rette di lavoro nella zona di arricchimento (con x = 0 si ottiene y) y = R R+ * x + R+ * 0,9 0,8 0,7 4 diagramma x/y 2 y = = 0,95/(2,63+) = 0,26 R+ 0,6 5 Disegnamo la semiretta che parte dal punto 2 e passa per y = 0,26 che andrà ad incrociare la retta q nel punto 6 0,5 y 0,4 6 Disegnamo adesso il segmento della retta di esaurimento che parte dal punto 3 e passa per il punto 6 0,3 0,26 0,2 Ripuliamo il grafico cancellando le linee che non interessano. 0, , 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 x W z F x

9 DETERMINAZIONE DEL NUMERO DI PIATTI TEORICI E REALI CORREGGERE DIAGRAMMA E tracciamo delle orizzontali partendo dal punto 2 e delle verticali partendo dall'incrocio con la curva di rugiada che individueranno il numero dei piatti. 0,9 0,8 4 diagramma x/y 2 0,7 Risultano 4 piatti con l'alimentazione tra il sesto (6 ) e il settimo (7 ) 0,6 0,5 y 5 6 0,4 Il numero di piatti reale sarà: Npr= 4 / 0,78 = 7,95 = 8 0,3 0,2 0, , 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 x W z F x

10 TRAFFICI IN COLONNA Ora troviamo le portate dei vari flussi: V, L, V' e L' R = L/D V L m D L = D*R F L = 80,43 * 2,63 = 2,5 kmol/h V = L + D = 2,5 + 80,43 = 292,0 kmol/h V B VB V' L' = L + q*f L' = 2,5 + 0,7 * 200 = 35,5 kmol/h V' = L' W = 35,5 9,57 = 23,9 kmol/h Si può fare anche V' = V - (-q)f W L'

11 CALORI SCAMBIATI E LE QUANTITA' DI ACQUA E VAPORE DI RETE Nel condensatore di testa: Qc = V * λv = 35,5 * = kj/h La quantità di acqua per raffreddare è: Qc= m Cp (T2-T) => m = Qc/(Cp(T2-T)) m = /( 75,3 (55-20)) = 408 kmol/h F V L m D = 7346 kg/h Nel ribollitore di coda: Qr = V' * λv = 23,9 * = kj/h Il vapore necessario condenserà cedendo il calore latente V B W VB V' L' Qr = VB * λvb => VB = Qr / λvb V B = / = 93,75 kmol/h = 3487,4 kg/h

12 SUPERFICIE DI SCAMBIO Nel condensatore di testa: Qc = Ac * U * Tml ==> Ac = Qc / (U * Tml) V m Tml = ((8-20)-(8-55))/Ln((8-20)/(8-55)) = (6-26)/ln(6/26) = 35/0,8528= 4 C L D Ac = / (7200 * 4) = 36,45 m 2 F Nel ribollitore di coda: Qr = Ar * U * T ==> Ar = Qr / (U * T) Ar = / (6200 * (33,5-0)) = 5,73 m 2 V B W VB V' L'

13 DIAMETRI DELLA COLONNA Nella zona di arricchimento: Vv = V * R*T/P con V V volume di V (volume prodotto di testa) Vv = 324,4 kmol/h * 8,3 J/(mol*K) * 354 K / 0 kpa = 9437 m 3 /h Vv = 9437 / 3600 = 2,62 m 3 /s S = Vv/uv = 2,62 / 0,80 = 3,28 m 2 Diam = 4 * 3,28/ 3,4 = 2,04 m V L m D Nella zona di esaurimento: Vv' = V' * R*T/P F con VV' volume di V' (volume rifluso di coda) Vv' = 264,43 kmol/h* 8,3J/(mol*K) * 383 K / 0 kpa V' Vv' = 8333 m 3 /h = 8333 / 3600 = 2,35 m 3 /s V B VB S = Vv'/uv' = 2,35 / 0,80 = 2,893 m 2 L' Diam = 4 * 2,893/ 3,4 =,92 m W