Distillazione in corrente di vapore, flash e differenziale

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1 istillazio i corrt di vapor, flash diffrzial istillazio i corrt di vapor, flash diffrzial osidriamo u sistma liquido trario, formato dall sostaz,, i cui costituiscoo ua soluzio idal mtr il compot è immiscibil co i primi du. ll quilibrio liquido-vapor, avrmo ch la tsio di vapor dlla miscla traria sarà data da: tot () i cui: La () cost, ota ch sia la dipdza dlla tsio di vapor di ciascu compot puro dalla tmpratura, di ricavar la b di bollizio dlla miscla: b b b tot (2) cui si è ipotizzato di utilizzar l quazio di toi pr sprimr la dipdza fuzioal dll dalla tmpratura col simbolo si è idicata la prssio stra agt sul sistma. La (2) può ssr risolta pr via grafica, oppur umrica o acora pr ttativi. S il compot è poco volatil, oppur è prst i piccola coctrazio, la () la (2) possoo ssr smplificat i: tot (3) b b (4) U itrssat mtodo grafico di risolvr la (4) è spigato l libro di tsto (diagramma di Hausbrad). pratica, co tal mtodo, occorr rapprstar l fuzioi: f f 2 l puto di itrszio dll du curv forisc la tmpratura crcata. fatti, all itrszio: ossia val la (3). Ricordado alto, smpr la (3) forisc:,vap,vap,vap,vap tot tot M M m m (5)

2 dicado co l acqua, la (5) prmtt di calcolar i kg di vapor da dovr cosumar pr far vaporar kg di sostaza dalla miscla liquida iizial. om si ota qusta quatità è tato maggior quato più diluita è la miscla risptto ad quato mior è il suo pso molcolar. 8 7 [mmhg] [ ] bollizio ig. iagramma di Hausbrad La distillazio i corrt di vapor è di orma utilizzata co miscl costituit da sostaz, isolubili i acqua, avti alto puto di bollizio il cui raggiugimto sarbb troppo dispdioso, oppur pricoloso, o acora potrbb dtrmiar la dcomposizio dlla sostaza stssa. prsza di acqua ifatti, il puto di bollizio si abbassa (i misura ach otvol) pr cui la sparazio risulta più agvol. Qusta tcica di distillazio può ssr attuata sia i maira discotiua ch cotiua. Nl primo caso l apparcchio è costituito da u smplic srbatoio icamiciato l qual vi itrodotta la miscla da distillar l qual vi fatto gorgogliar il vapor d acqua. Nlla camicia stra vi fatto circolar vapor d acqua di riscaldamto i quato il calor di surriscaldamto cduto dal vapor ch gorgoglia l liquido o è sufficit a garatir l bollizio dlla miscla. vapori uscti dal srbatoio vgoo quidi raffrddati codsati d itrodotti i u sparator-dcatator dal qual fuoriscoo (a diffrti altzz) l acqua il prodotto dsidrato. Lo stsso apparcchio può ssr utilizzato ach pr l oprazio cotiua ach s, i qust ultimo caso, si prfrisc l uso di ua coloa a piatti sprovvista di ribollitor istillazio i corrt di vapor, flash diffrzial 2

3 di coda dal fodo dlla qual vi iittato dirttamt vapor di rt W. l calcolo (scodo il mtodo di Mcab-hil) è idtico a qullo di ua coloa co ribollitor. L uica diffrza lla procdura cosist l tracciamto dlla rtta di lavoro ifrior. ig. 2 istillazio i corrt di vapor r ua coloa co ribollitor abbiamo ifatti (dal bilacio di matria sul compot volatil lla szio di saurimto): V' L' L' V' V' E, ricordado ch (dal bilacio di matria global sulla szio di saurimto): L' V' ottiamo ch l itrszio dlla rtta co la diagoal avvi l puto: L' L' V' V' V' V' r ua coloa sza ribollitor di coda: V' L' L' L' L' V' V' Rlazio da cui si ricava ch l itrszio dlla rtta di lavoro co l ass dll asciss avvi l puto: istillazio i corrt di vapor, flash diffrzial 3

4 L' L' L' L' V' V' V' V' ig. 3 Mtodo di Mcab-hil pr coloa a piatti sza ribollitor U altra tcica di distillazio è qulla cosiddtta flash o di quilibrio. ig. 4 istillazio lash istillazio i corrt di vapor, flash diffrzial 4

5 qusta oprazio la miscla liquida da sparar vi riscaldata vaporizzata i part. La vaporizzazio può ssr facilitata abbassado cotmporaamt la prssio dl sistma. La corrt liquido-vapor vi quidi immssa i u sparator dal qual fuoriscoo, i alto, i vapori ch, codsati, adrao a costituir il distillato, mtr dal fodo si otti la fas liquida costitut il prodotto di coda o rsiduo. E ua oprazio basata su u solo stadio di quilibrio pr cui il grado di sparazio ottibil sarà modsto. L composizioi dl distillato dl prodotto di coda si possoo ottr dal bilacio di matria (total parzial). vrmo ifatti: r cui, idicado co q la frazio dll alimtazio rimasta allo stato liquido dopo la vaporizzazio, co l composizioi dl distillato dl rsiduo: -q q ( -q) q q q- q ( -q) q ch è l quazio dlla rtta q. l puto di itrszio di tal rtta co la curva di quilibrio dl sistma, idividua l composizioi d crcat. ig. 5 alcolo dlla composizio fial i u distillator lash istillazio i corrt di vapor, flash diffrzial 5

6 E vidt ch tal procdura di calcolo prsuppo la cooscza dl valor di q. Nl caso i cui o si coosca il valor di q ma fossro ivc ot tmpratura prssio total fiali dl sistma, pr ottr composizioi quatità rlativ dl distillato dl rsiduo si dovrà far ricorso all ot formul (lggi di Raoult, alto rgola dlla lva): ( -) ( ) ( -) ( ) ( -) L ultima tcica di distillazio ch samirmo è qulla così dtta smplic, o diffrzial, o batch. È la classica distillazio discotiua da laboratorio ch utilizza com strumto l alambicco. ig. 6 istillator batch da laboratorio L aalisi torica di qusto tipo di oprazio è alquato complssa, dovdo far ricorso ad quazioi diffrziali ( o più algbrich) pr dscrivr l voluzio l tmpo dl sistma ch o è più i codizioi stazioari l qual si modificao sia la composizio dl distillato ch dl rsiduo. Si scrivoo i classici bilaci di matria global parzial (compot più volatil): (6) mdio i cui qusta volta soo l moli iiziali sottopost a distillazio, il distillato raccolto fio ad u crto istat t il liquido rsiduo allo stsso istat. Si oti com la composizio dl distillato ch compar l bilacio rapprsti il valor mdio rlativo all itrvallo di tmpo t cosidrato. fatti i ogi istat la istillazio i corrt di vapor, flash diffrzial 6

7 composizio dl vapor è qulla ch fa quilibrio alla composizio dl liquido ll alambicco. Qulli su scritti rapprstao i bilaci di matria rlativi ad u itrvallo di tmpo t fiito. Voldo scrivr gli stssi bilaci pr u itrvallo ifiitsimo dt avrmo, diffrziado l mdsim sprssioi risptto al tmpo (si ricordi ch d assumoo valori costati o rapprstao variabili): d d d d d ( ) d( ) d d mdio E, i bas alla dfiizio di valor mdio di ua fuzio : d mdio d d d d d d ( ) ( ) mdio d tgrado tra gli strmi d d : d ( ) d Qulla ora scritta è l quazio di Raligh ch, isim all (6), lga tra loro l 6 variabili dl procsso:,,, mdio,,. issat ch siao 3 di tali variabili, l rstati possoo ssr calcolat dal sistma di quazioi così formato. oiché prò il sistma coti ua quazio i cui ua dll possibili icogit costituisc u strmo di itgrazio, la soluzio o può avvir pr via dirtta ma solo ricorrdo ad ua procdura prova d rror pr ttativi (trial ad rror). d smpio, s si cooscoo i valori dlla quatità di prodotto da distillar () la sua composizio ( ) oché la coctrazio di distillato ch si dsidra ottr ( mdio ) il sistma, costituito dall () dalla (3) forisc: (7) l valor mdio di ua fuzio f() è dfiito dall sprssio: d Nl caso i qustio la variabil idipdt è data dal volum di distillato, pr cui: d i i i i i i i i istillazio i corrt di vapor, flash diffrzial 7

8 istillazio i corrt di vapor, flash diffrzial 8 ' d d l mdio mdio Val a dir:. si fissa u valor di ttativo pr la composizio fial dl rsiduo 2. si calcola pr via aalitica (s si coosc l sprssio dlla curva di quilibrio) o pr via umrica (s la curva di quilibrio può ssr calcolata solo pr puti) l itgral d 3. si dtrmia il valor assuto dalla composizio dl distillato mdio 4. s mdio (calcolato) mdio (dato dl problma) si assum u uovo valor di ttativo pr si ripart dal puto La procdura si basa quidi pricipalmt sul calcolo dll itgral. al calcolo, suppodo di utilizzar l sprssio dlla curva di quilibrio i fuzio dlla volatilità rlativa, porta a: d d d d d d l l d d U asptto itrssat di qusta tcica si ha utilizzado o l alambicco ma ua coloa a piatti. tal caso si rimpi il ribollitor si part fordo calor al sistma. L impiato si comporta com ua coloa formata dal solo troco di arricchimto.

9 ig. 7 istillator batch a piatti L oprazio può ssr codotta i du modi:. matdo costat il rapporto di riflusso. tal caso l composizioi dl distillato dl rsiduo adrao via via dimiudo l corso dl tmpo; ig. 8 istillazio batch a riflusso costat istillazio i corrt di vapor, flash diffrzial 9

10 2. aumtado il rapporto di riflusso dall iizio alla fi dll oprazio i maira da matr costat la composizio dl distillato l tmpo. l limit massimo di R sarà dato da R situazio pr la qual composizio dl distillato dl rsiduo sarao costati l tmpo (o si immtt é si togli ulla dalla coloa) ig. 9 istillazio batch a riflusso variabil l calcolo di composizioi portat vi ffttuato utilizzado lo stsso sistma di quazioi prcdtmt itrodotto: mdio d l ( ) solo ch, qusta volta il valor (composizio dl vapor) o è più qullo ottibil dalla curva di quilibrio i corrispodza dlla composizio dl liquido l ribollitor, ma qullo ch driva dalla costruzio a gradii di Mcab-hil pr il rapporto di riflusso sclto pr il umro di piatti sistt i coloa. oiché tal valor dv ssr ricavato pr via grafica, il calcolo dll itgral va ffttuato pr via umrica, ua volta dfiit u crto umro di coppi di valori (, ). istillazio i corrt di vapor, flash diffrzial