Esempi di Applicazioni

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1 EVAPORAZIONE

2 EVAPORAZIONE Scopo Allontanare il solvente sotto forma di vapore da una soluzione di un soluto non volatile in modo da aumentare la concentrazione o recuperare il solvente puro. Operazione La soluzione viene portata al punto di ebollizione fornendo calore, parte del solvente viene vaporizzato e (eventualmente) condensato.

3 Esempi di Applicazioni Concentrazione di: Acque salmastre o saline (produzione acqua potabile) Soluzioni inorganiche (NaOH, acido solforico, etc.) Succhi alimentari (limone, arancia, frutti tropicali, etc.) Soluzioni zuccherine (melasse) Latte, latticini, siero di latte Estratti di erbe, caffè, te,... Prodotti farmaceutici Acque di scarto e reflui Etc.

4 Fattori che influenzano il processo Concentrazione della fase liquida Solubilità Termolabilità delle sostanza trattate Schiumeggiamento Temperatura e pressione di esercizio Sporcamento Aggressività delle sostanze trattate

5 Prestazioni degli Evaporatori Capacità kg/h di solvente vaporizzato Efficienza energetica kg di solvente vaporizzato per kg di vapore (primario) alimentato Singolo effetto: efficienza <1.0 Multipli effetti: efficienza > 1.0 Consumo di vapore = capacità/efficienza

6 FATTORI CHE INFLUENZANO IL PROCESSO DI EVAPORAZIONE INNALZAMENTO EBULLIOSCOPICO INNALZAMENTO DELLA TEMPERATURA DI EBOLLIZIONE A SEGUITO DELLA PRESENZA DEL SOLUTO IN SOLUZIONE Regola di Duhring Per una data pressione di esercizio l innalzamento del punto di ebollizione (IPE) è proporzionale alla concentrazione della soluzione. La costante di proporzionalità in generale è funzione della pressione. IPE Modesto per soluzioni diluite o colloidali Per soluzioni concentrate l IPE si può calcolare mediante i diagrammi di Duhring (ove presenti)

7 ESEMPIO Diagramma di Duhring per soluzione acquosa di NaOH

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9 FATTORI CHE INFLUENZANO IL PROCESSO DI EVAPORAZIONE PRESSIONE DI ESERCIZIO LA TEMPERATURA DI EBOLLIZIONE DI UN LIQUIDO (SIA ESSO PURO O UNA SOLUZIONE) E OVVIAMENTE DETERMINATA DALLA PRESSIONE DI ESERCIZIO EQUAZIONE DI CLAUSIUS-CLAPEYRON Controllo della Pressione Operativa Per incrementare la pressione si opera mediante una valvola di laminazione che imponga una perdita di carico aggiuntiva sulla linea vapore in uscita all evaporatore. Per diminuire la pressione è necessario condensare il vapore mediante un condensatore che operi a una temperatura inferiore a quella di ebollizione in condizioni standard (1 atm). La soluzione più utilizzata nel caso di soluzioni acquose è quella del condensatore barometrico che non necessita di pompe di estrazione per l acqua di raffreddamento.

10 FATTORI CHE INFLUENZANO IL PROCESSO DI EVAPORAZIONE CONDIZIONI TERMICHE DELL ALIMENTAZIONE Condizioni dell alimentazione Capacità Alimentazione alla sua T di saturazione (Ts) corrispondente esattamente alla pressione di esercizio Alimentazione sottoraffreddata (T < Ts) Capacità ridotta rispetto al Q calcolato Alimentazione surriscaldata (T > Ts) Capacità aumentata rispetto al Q calcolato

11 FATTORI CHE INFLUENZANO IL PROCESSO DI EVAPORAZIONE IL FENOMENO DI BLANKETING DEL VAPORE AD UN LIQUIDO CHE SCORRE ALL INTERNO D I U N T U B O S I F O R N I S C E C A L O R E DALL ESTERNO FINO A PORTARLO ALL EBOLLIZIONE. SI FORMANO LE PRIME BOLLE DI VAPORE SULLA SUPERFICIE INTERNA DEL TUBO. CONTINUANDO A FORNIRE CALORE IL N U M E R O D I B O L L E A U M E N T A E L EBOLLIZIONE SI ESTENDE A TUTTA LA MASSA DEL LIQUIDO

12 CALORE FLUIDO RISCALDANTE TROPPO ENERGETICO (TROPPA DIFFERENZA DI TEMPERATURA TRA Teb DEL LIQUIDO E T DEL FLUIDO RISCALDANTE SE IL CALORE FORNITO E TROPPO, OPPURE IL RISCALDAMENTO E TROPPO RAPIDO, L EBOLLIZIONE DEL LIQUIDO PUO AVVENIRE IN MANIERA TROPPO VELOCE E VIOLENTA. IN QUESTO MODO SI HA UNA SOVRAPRODUZIONE DI BOLLE DI VAPORE CHE RICOPRONO LA PARETE INTERNA DEL TUBO. IN QUESTE CONDIZIONI LO SCAMBIO DI CALORE TRA FLUIDO INTERNO ED ESTERNO RISULTA MINORE PROPRIO A CAUSA DELLO STRATO DI VAPORE CHE RICOPRE LA SUPERFICIE INTERNA DEL TUBO

13 Calore scambiato tra i due fluidi Flusso di calore proporzionale al tra i due fluidi Lungo il tratto a si ha un aumento del flusso termico senza produzione di vapore che inizia nel tratto b. All aumentare di ΔT aumenta anche il flusso termico e con esso la velocità di produzione di vapore. Superata una differenza di temperatura critica (ΔTC) si passa al tratto c, in cui la superficie riscaldante è interamente ricoperta di vapore, questo impedisce il contatto tra il liquido e la parte di tubo, con conseguente diminuzione del coefficiente di scambio. Questo fenomeno è chiamato blanketing. Le bollicine di vapore che si formano sono così piccole da non riuscire a staccarsi perché, avendo elevata tensione di vapore, non assumono forma tondeggiante.

14 FATTORI CHE INFLUENZANO IL PROCESSO DI EVAPORAZIONE VELOCITA DI ALIMENTAZIONE DEL LIQUIDO LA FORMAZIONE DELLE BOLLE DI VAPORE (E QUINDI IL LORO DISTACCO DALLA SUPERFICIE DEL SOLIDO) CREA UNA TURBOLENZA AGGIUNTIVA ALL INTERNO DELL APPARECCHIATURA IL LIQUIDO HA SICURAMENTE UNA VELOCITA DIVERSA RISPETTO ALL ENTRATA SPERIMENTALMENTE SI NOTA CHE: 1) PER BASSE V DI ALIMENTAZIONE (ES. CONVEZIONE NATURALE) GLI h EFFETTIVI SONO CIRCA IL DOPPIO DI QUELLI TEORICI CALCOLATI 2) SE SI PASSA A CONVEZIONE FORZATA, PER V FINO A 10m/s, GLI h EFFETTIVI SONO CIRCA 1,25 VOLTE MAGGIORI DI QUELLI TEORICI 3) PER V>30-40 m/s h teorico circa UGUALE ad h sperimentale: NON SI HA PIU FORMAZIONE DI BOLLE, QUINDI IL LIQUIDO NON EVAPORA MA EFFETTUA SOLO UNO SCAMBIO TERMICO (SEMPLICE RISCALDAMENTO)

15 FATTORI CHE INFLUENZANO IL PROCESSO DI EVAPORAZIONE INFLUENZA DEL BATTENTE DI LIQUIDO LE EVIDENZE SPERIMENTALI DIMOSTRANO CHE h DEL LIQUIDO E INFLUENZATO ANCHE DAL BATTENTE DI LIQUIDO AL DI SOPRA DEL FASCIO TUBIERO UN AUMENTO DEL BATTENTE IDROSTATICO COMPORTA UN AUMENTO DELLA Teb DEL LIQUIDO (EFFETTO SFAVOREVOLE: RIDUCE IL FLUSSO DI CALORE) DI CONTRO, PERO, UN AUMENTO DELLA Teb FA DIMINUIRE LA VISCOSITA DEL LIQUIDO, QUINDI AUMENTANO SIA h CHE Ud (EFFETTO FAVOREVOLE) SITUAZIONE DI COMPROMESSO: BATTENTI DI LIQUIDO TRA 10 E 50 cm

16 APPARECCHIATURE: GLI EVAPORATORI

17 EVAPORATORI CIRCOLAZIONE NATURALE CIRCOLAZIONE FORZATA TUBI ORIZZONTALI TUBI VERTICALI TUBI VERTICALI LUNGHI TUBI VERTICALI CORTI A CALANDRIA TIPOLOGIA PIU COMUNE A PANIERE

18 EVAPORATORI A TUBI VERTICALI

19 EVAPORATORE A PANIERE

20 EVAPORATORI A CALANDRIA

21 EVAPORATORI A TUBI ORIZZONTALI

22 TIPO KESTNER EVAPORATORI A TUBI VERTICALI LUNGHI

23 EVAPORATORE AGITATO

24 EVAPORATORE A CIRCOLAZIONE FORZATA

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26 EVAPORATORE A FILM CADENTE!! Fig. 5. Swenson LTV Rising-Film Evaporator with Vertical-Tube Surface Condenser

27 EVAPORATORE A CIRCOLAZIONE FORZATA! TUBI VERTICALI! Fig. 7. Swenson Forced-Circulation, Submerged-Inlet, Vertical-Tube Evaporator

28 EVAPORATORE A CIRCOLAZIONE FORZATA TUBI ORIZZONTALI

29 ! Fig. 1. Quintuple-Effect, Forced-Circulation NaCl Evaporator

30 ! Fig. 2. Three-stage, Forced-Circulation Evaporator used to concentrate wet process phosphoric acid

31 Fig. 11. Swenson Double-Effect, Falling-Film Evaporator!! Fig. 6A. Two, 4-Stage, Mechanical Recompression, Falling-Film Evaporators!

32 DIMENSIONAMENTO DEGLI EVAPORATORI

33 EVAPORATORI A SINGOLO EFFETTO F = portata di alimentazione (kg/h) Co = conc. iniziale alimentazione (%p) W = portata vapore di rete (kg/h) V = portata di vapor d acqua evaporato (kg/h) S = portata di soluzione concentrata (kg/h) C1 = conc. soluzione concentrata (%p)

34 EVAPORATORI A SINGOLO EFFETTO BILANCI DI MASSA F = V + S Bilancio di massa sulle portate F * C0 = S * C1 Bilancio di massa sul soluto

35 EVAPORATORI A SINGOLO EFFETTO BILANCIO DI ENERGIA F*HF + W*λW = V*HV + S*HS

36 EVAPORATORI A SINGOLO EFFETTO EQUAZIONE DI TRASFERIMENTO (per il calcolo di A del fascio tubiero) Q = U*A*(tW ts) con il Q scambiato calcolabile da Q = W * λw

37 EVAPORATORI A MULTIPLO EFFETTO UTILIZZATI PER MIGLIORARE L EFFICIENZA DELL IMPIANTO RIDURRE IL CONSUMO DI VAPORE DI RETE IDEA DI BASE: IL VAPORE USCENTE DALL ALTO DELL EVAPORATORE PUO ESSERE ANCORA IMPIEGATO COME MEZZO RISCALDANTE (SI PUO ANCORA CONDENSARE) IN UN SECONDO EVAPORATORE POSTO IN SERIE AL PRIMO. NEL SECONDO EVAPORATORE VERRA ANCORA ALIMENTATA LA SOLUZIONE DA CONCENTRARE CHE QUINDI SI CONCENTRERA NON PIU IN UN SOLO PASSAGGIO MA IN DUE. E POSSIBILE AGGIUNGERE ANCHE UN TERZO, QUARTO, ECC. EFFETTO MA IL NUMERO OTTIMALE E STIMATO IN 3-5

38 DUPLICE EFFETTO IN EQUICORRENTE

39 DUPLICE EFFETTO IN CONTROCORRENTE

40 Le differenze tra il duplice effetto in equicorrente dalla controcorrente sono: 1) in equicorrente la soluzione concentrata passa nel secondo evaporatore dove la T è inferiore, con aumento della viscosità e diminuzione di Ud ( Coeff. Globale di scambio). Nella controcorrente U resta pressoché costante. 2) in equicorrente lo spostamento della soluzione dal primo al secondo evaporatore è spontaneo, mentre per passare dal secondo al primo nel controcorrente necessita di una pompa; 3) L equicorrente si preferisce nella concentrazione di prodotti organici dove non si ha l impatto (nel secondo evaporatore) tra la soluzione concentrata e il vapore di rete. 4) Operando in depressione, in entrambi i casi, le condense devono essere estratte con pompe. Il numero ottimale di effetti varia tra 3 e 5.

41 EQUAZIONI DI BILANCIO: EQUICORRENTE Bilancio di materia globale: F = V1 + V2 + S2 ; F * Co = S1 * C1 = S2 * C2 (bilancio al soluto) Bilancio di energia globale: F * HF + W * λw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

42 EQUAZIONI DI BILANCIO: CONTROCORRENTE Bilancio di materia globale: F = V1 + V2 + S1 Bilancio al soluto F * Co = S1 * C1 = S2 * C2 Bilancio di energia globale: F * HF + W * λw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

43 APPARECCHIATURE AUSILIARIE PER GLI EVAPORATORI

44 SCARICATORI DI CONDENSA A GALLEGGIANTE E uno scaricatore di tipo meccanico. è costituito da un corpo cilindrico, al suo interno è contenuto un galleggiante sferico collegato, tramite sistema meccanico, ad una valvola di uscita posta nella parte inferiore dello scaricatore. Quando la condensa entra, da un apertura lateralmente allo scaricatore, il vapore in essa ancora presente fa salire il galleggiante, che di conseguenza apre la valvola che permette l uscita della condensa. Nella parte superiore c è una valvola che serve per eliminare gli incondensabili (aria).

45 SCARICATORI DI CONDENSA SECCHIELLO ROVESCIATO E uno scaricatore di tipo meccanico; è costituito da un secchiello principale, contenente al suo interno un altro secchiello rovesciato. Il secchiello interno è collegato ad una valvola che apre e chiude l uscita. La condensa entra dal basso, e il vapore in essa presente, spinge il secchiello interno in alto, ostruendo così l uscita. Quando tutto il secchiello è pieno di condensa, esso si abbassa aprendo la valvola, così la condensa può uscire.

46 SCARICATORI DI CONDENSA A PRESSIONI BILANCIATE E uno scaricatore di tipo termostatico. È costituito da un corpo, che al suo interno contiene un soffietto, con una parte terminale che chiude e apre l otturatore posto in basso al corpo. Il soffietto è costruito con un materiale dilatabile. All ingresso del vapore, tramite un apertura laterale, il soffietto si d i l a t a a n d a n d o a c h i u d e r e l otturatore. Appena si è formata tutta condensa, ed essa comincia a raffreddarsi, il soffietto si restringe e la condensa può uscire.

47 SEPARATORI DI GOCCE A CICLONE Permettono di recuperare gocce di soluzione trascinate dal vapore che si sviluppa dal concentratore. Il vapore circola lungo l elica del ciclone abbandonando le gocce che ritornano all interno del evaporatore.

48 CICLONE Cortesia: stabilimento LYONDELL-BASELL (Ferrara)

49 CONDENSATORE BAROMETRICO

50 DIMENSIONAMENTO CONDENSATORE BAROMETRICO Si tratta di calcolare Fa portata di acqua di raffreddamento da cui si ottiene

51 CONDENSATORE BAROMETRICO

52 LE APPARECCHIATURE PER IL VUOTO EIETTORI! (Simbolo UNICHIM) Essi sono apparecchi che hanno lo scopo di creare il vuoto e estrarre il vapore uscente dall evaporatore, e convogliarlo verso un condensatore. L eiettore è costituito da un corpo con un tratto convergente ed uno divergente. Questo corpo è comunicante con una camera di miscelazione, dove il vapore si miscela con il VA. Il tratto convergente serve per aumentare la velocità di VA che passa, quindi a diminuire la pressione, che dopo si rialza. Tutto questo crea una depressione, che serve per trascinare il vapore (V) verso la camera di miscelazione. La pressione di VA deve essere maggiore di quella di V. La pressione in uscita dall eiettore deve essere maggiore di quella di V che entra perché è più vantaggioso, cioè l abbattimento è facile, perché è più facile abbattere un vapore caldo che uno freddo, dal semplice fatto che a grandi differenze di temperatura (ΔT = TV TAR) corrispondono grandi quantità di calore scambiato.

53 LE APPARECCHIATURE PER IL VUOTO POMPA AD ANELLO LIQUIDO! (Simbolo UNICHIM) La pompa ad anello liquido è costituita da un corpo pompa all interno del quale, ruota, in maniera simile al moto di una biella (eccentrica), una girante. All interno della cassa, dove si trova la girante, è presente del liquido, che viene sparato alla periferia dal movimento della girante, formando un anello liquido, che deve avere uno spessore sempre costante (praticamente è lo strato di liquido aderente alla carcassa che funziona da guarnizione). Il liquido dell anello deve essere un liquido non miscibile con l acqua. Per creare l effetto aspirante, i vani della girante devono diminuire in modo da comprimere il gas. È importante mantenere bassa la temperatura onde evitare alte tensioni del vapore dell acqua, con conseguente vaporizzazione, data la bassa pressione. ATTENZIONE: QUESTA POMPA NON E UNA MACCHINA OPERATRICE (NON SPINGE I LIQUIDI DENTRO LE TUBAZIONI) MA SERVE SOLO PER FARE IL VUOTO AL INTERNO DI UNA APPARECCHIATURA!!

54 EIETTORI POMPE ANELLO LIQUIDO

55 SCHEMI DI PROCESSO

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57 (Con preriscaldamento dell alimentazione)

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59 (Con preriscaldamento dell alimentazione)

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