PREMESSA Evaporazione flash Documentazione ricavata da WikiPedia L'evaporazione flash (o evaporazione parziale) consiste in un'evaporazione parziale (cioè in cui solo una parte del liquido viene fatta evaporare) effettuata facendo passare il liquido attraverso una valvola di laminazione (o altro dispositivo di laminazione). L'evaporazione parziale di liquidi ad un solo componente è utilizzata nel ciclo frigorifero a compressione. Se l'alimentazione è costituita da una miscela liquida multicomponente, la fase vapore all'uscita dall'apparecchiatura (detta separatore flash) sarà più ricca del componente più volatile rispetto alla fase liquida. Separazione flash Il separatore flash è costituito da un serbatoio in cui viene immessa l'alimentazione liquida attraverso un dispositivo di laminazione. Il serbatoio presenta un'uscita dal basso per la fase liquida, raccolta nel fondo del recipiente, e una uscita dall'alto per la fase vapore, che viene privata dai trascinamenti di liquido attraverso un demister. Il livello del liquido raccolto nel fondo del serbatoio viene in genere controllato da una valvola di controllo posta all'uscita del liquido, che varia la propria apertura a seconda del livello raggiunto dal liquido nel recipiente.il processo di separazione flash di un liquido multicomponente può essere visto come una distillazione con un singolo stadio di equilibrio. Il calcolo delle quantità di liquido e di vapore uscente viene effettuato tramite un calcolo per tentativi a partire dall'equazione di Rachford-Rice: dove: z i è la frazione molare del componente i nell'alimentazione, che si assume nota; β è la frazione di alimentazione evaporata; K i è la costante di equilibrio del componente i. La costante di equilibrio K i è funzione della temperatura ed è definita dall'equazione: in cui: x i è la frazione molare del componente i nella fase liquida; y i è la frazione molare del componente i nella fase vapore. Una volta che l'equazione di Rachford-Rice è stata risolta per β, le composizioni x i e y i possono essere determinate come: In particolare, l'equazione di Rachford-Rice può avere molte soluzioni per β, ma tra queste una sola rende positivi x i e y i, ed è data da: (EN) Robert Perry; Dow.W.Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 8ª ed., McGraw-Hill, 2007. (EN) Warren L. McCabe; Julian Smith; Peter Harriott, Unit Operations of Chemical Engineering, 7ª ed., McGraw-Hill Education (ISE Editions), 2005 William D. Baasel, Preliminary Chemical engineering Plant Design, 2nd Edition, Van Nostrand Reinhold, 1990.. David H.F. Liu, Environmental Engineers' Handbook, 2nd Edition, CRC Press, 1997, Stanley S. Grossel (giugno 2004). Design and sizing of knock-out drums/catchtanks for emergency relief systems. Plant/Operations Progress (AIChE) 5 (3): 129 135.. Stanley M. Walas, Chemical Process Equipment:Selection and Design
CALCOLO MANUALE DI UN FLASH ISOENTALPICO Il Flasch si può presentare quando un liquido attraversa una valvola che strozza il flusso, abbassandone la pressione raggiungendo un valore di temperatura che provoca la presenza di vapore alla pressione finale. In effetti la trasformazione sarebbe adiabatica, ma, essendo molto piccolo il lavoro che il fluido trasmette per attrito agli elementi di tubazione (valvola compresa), essa può essere considerata isoentalpica. L abbassamento della Pressione provoca a sua volta quello della Temperatura, quindi si può produrre un flash cioè la vaporizzazione di parte del fluido se alla nuova Pressione la Temperatura corrisponde a quella di ebollizione del fluido, in altre parole la vaporizzazione avviene a spese del calore fornito dal fluido stesso, la cui T si abbassa. Se la trasformazione riguarda un fluido puro il calcolo è molto semplice perché l abbassamento di temperatura del liquido serve a vaporizzare parte del fluido, in modo che l entalpia totale resti inalterata. Un esempio molto semplice può essere fatto considerando 1000 kg di acqua a 200 C all ebollizione e quindi a una pressione di 15,47 ATM assolute che vengono laminate ad 1 ATM assoluta e quindi in caso di flash la temperatura della fase mista liquido + vapore è di 100 C. Tenendo presente che a 200 C l entalpia dell acqua liquida è: 1000*200 = 200000 kcal/h Tenendo presente che a 1 ATM nel caso di presenza di Flash la temperatura del sistema Acqua liquido + vapore si porta a 100 C. Tenendo presente che 100 C l entalpia dell acqua è 100 Kcal/Kg e quella del Vapor d acqua è di 639,2 Kcal/Kg. Assunto X la quantità di vapore presente dopo laminazione ad 1 ATM assoluta e 100 C si può scrivere: (1000-X)*100 + X*639,2 = 200000 da cui si ricava X = 100000/539,2 = 185,38 kg, cioè si ottiene un vaporizzato pari al18.538% dell acqua liquida + vapore. Diventa più complicato il calcolo se si tratta di calcolare il flash isoentalpico di una miscela di più componenti. Si propone di adottare la seguente metodologia di Calcolo: 1) Si calcola l entalpia della fase alla pressione ed alla temperatura prima della laminazione. 2) Si procede per tentativi secondo il seguente schema: 3) Si assume una temperatura di primo tentativo alquanto inferiore alla temperatura di cui al punto 1 per il sistema liquido vapore nel serbatoio di Flash. 4) Si calcolano le composizioni liquido e vapore che consentano l equilibrio della fase iniziale alla pressione dopo la laminazione ed alla temperatura di tentativo assunta. 5) Si calcola l entalpia del sistema liquido + vapore presente nel serbatoi di flash alla temperatura assunta. 6) Si modifica la temperatura assunta sino alla convergenza dei valori di entalpia calcolati al punto 1 ed al punto 6. 7) Per un sistema a multicomponenti 2 è necessario che la somma delle frazioni molari nella Fase Liquida e nella Fase Vapore sia uguale ad 1 partendo dalla riduzione in fase liquida, in sequenza, delle frazioni molari dei componenti che presentano il maggior valore del prodotto Frazione Molare per Tensione di Vapore. Procedere dividendo in due gruppi i componenti assumendo in aumento le frazioni molari in fase vapore quelli che presentano che presentano il maggior valore del prodotto Frazione Molare per Tensione di Vapore ed in riduzione gli altri.
Per sistemi ideali il calcolo può essere eseguito applicando la legge di Raoult per gli equilibri Liquido Vapore. Vedere Diagramma Alcani allegati. Di seguito si riporta, al solo fine di illustrare il metodo, il calcolo manuale effettuato per una miscela binaria costituita da Pentano + Eptano Dati assunti Prima della Laminazione: 1) Miscela liquida all ebollizione a 100 C, contenente 50 Kmoli di Pentano PM 72 e 50 Kmoli di Eptano PM 100. 2) Tensione di vapore: Pentano = 87,5 PSIA; Eptano = 17,5 PSIA 3) Calore Specifico medio liquido tra 0 e 100 C: Pentano = 0,62 Kcal/Kg C; Eptano = 0,55 Kcal/Kg C 4) Calcolo della pressione del liquido prima della Laminazione: 5) Frazione Molare Pentano ed Eptano = 50/100 = 0,5 6) Pressione = 0,5*(87,5 + 17,5) = 52,5 PSIA = 3,57 ATA 7) Calcolo Entalpia Liquido a 100 C e 3,57 ATA = 50*(72*0,62 + 100*0,55)*100 = 498200 Kcal Assunta Pressione dopo la Laminazione: 1,00 ATA Temperatura di Primo tentativo = 75 C 1) Grandezze Fisiche a 75 C: 2) Tensione di Vapore : Pentano = 50 PSIA = 3,40 ATA; Eptano 7 PSIA = 0,476 ATA 3) Calcolo delle frazioni molari in fase liquida per avere nel serbatoio di flash a 75 C 1 ATA di pressione 4) Assunta frazione molare nel liquido: Pentano 0,25 e Eptano 0,75 si ricava 5) Pressione nel serbatoio di Flash = 0,25*3,40 + 0,75*0,476 = 1,207 ATA; va ridotta la frazione molare del pentano 6) Assunta frazione molare Pentano 0,2 e Eptano 0,8 si ricava: 7) Pressione nel serbatoio di Flash = 0,2*3,4 + 0,8*0,476 = 1,06 ATA; va ridotta la frazione molare del pentano 8) Assunta frazione molare Pentano = 0,18 e Eptano 0,82 si ricava: 9) Pressione nel serbatoio di Flash = 0,18*3,4 + 0,82*0,476 = 1,00 ATA OK 10) Composizione della Fase Vapore: 11) Frazione Molare in Fase Vapore: Pentano = 0,18*3,4 = 0,612; Eptano = 0,82*0,476= 0,388 12) 0,612 + 0,388 = 1 OK
1 Tentativo; Calcolo dell Entalpia Liquido + Vapore presenti nel serbatoio di Flash a 75 C L Entalpia di un vapore si calcola sommando all entalpia del liquido ottenuta con il prodotto della quantità in Kg del vapore moltiplicata per il calore specifico medio del liquido tra zero e la temperatura di vaporizzazione del liquido più il calore di vaporizzazione del liquido 1) Grandezze Fisiche Liquido di Flash a 75 C 2) Calore Specifico Liquido: Pentano = 0,598 Kcal/Kg; Eptano = 0,54 Kcal/Kg 3) Calore di Vaporizzazione: Pentano = 77 Kcal/Kg; Eptano = 80 Kcal/Kg 4) Entalpia a 75 C del Sistema Liquido + Vapore presente nel serbatoio di Flash: 5) Calcolo della quantità di liquido e di Vapore (Kmoli Pentano ed Eptano) 6) Posto X Kmoli totali di Liquido ed Y Kmoli totali di Vapore si può scrivere: 7) Per il Sistema Totale Liquido + Vapore: 8) X + Y = 100 Kmoli 9) Da cui si ricava: 10) X = 100 -Y 11) Per il Pentano 12) X*0,18 + Y*0,612 = 50 Kmoli 13) (100 Y)*0,18 + Y*0,612 = 50 14) 18 0,18*Y + Y*0,612 = 50 15) 0,432*Y = 32 16) Y = 74,074 Kmoli 17) X = 25,926 Kmoli 18) Entalpia Totale Fase Liquida + Fase Vapore 19) Fase Vapore = 74,074*(0,612*72*(77+0,598*75)+ 0,388*100*(80+0,54*75)) = 744044 Kcal 20) Fase Liquida = 25,926*75*(0,18*72*0,598 + 0,82*100*0,54) = 101170 Kcal 21) Entalpia Totale di prima approssimazione = 744044 + 101170 = 845214 Kcal 22) Essendo questo valore di 845214 superiore all entalpia del liquido prima della laminazione pari a 498200 Kcal. 23) Ridurre la temperatura dopo la laminazione e quindi modificare i calcoli sopra riportati.
Assunta Temperatura di tentativo dopo la Laminazione a 1,00 ATA = 65 C 1) Grandezze Fisiche a 65 C: 2) Tensione di Vapore : Pentano = 38 PSIA = 2,585 ATA; Eptano 5 PSIA = 0,34 ATA. 3) Calcolo delle frazioni molari in fase liquida per avere nel serbatoio di Flash a 65 C 1 e ATA di Pressione. 4) Assunta frazione molare nel Liquido Pentano = 0,294 e Eptano = 0.706 si ricava: 5) Pressione nel serbatoio di Flash = 0,294*2,585 + 0,706*0,34 = 1,00 ATA OK. 6) Frazione Molare Pentano in Fase Vapore: = 0,294*2,585 = 0,76 7) Frazione Molare Eptano in fase Vapore = 0,706*0,34= 0,24 8) 0,76 + 0,24 = 1,00 OK 1) Grandezze Fisiche Liquido nel serbatoio di Flash a 65 C 2) Calore Specifico Liquido: Pentano = 0,66 Kcal/Kg; Eptano = 0,57 Kcal/Kg 3) Calore di Vaporizzazione: Pentano = 80 Kcal/Kg; Eptano = 80 Kcal/Kg 4) Entalpia a 65 C del Sistema Liquido + Vapore presente nel serbatoio di Flash: 5) Calcolo della quantità di Liquido e Vapore presente nel serbatoio di Flash (Kmoli Pentano ed Esano): 6) Posto X Kmoli totali del Liquido ed Y Kmoli totali Vapore si può scrivere: 7) X + Y = 100 Kmoli; da cui si ricava: 8) X = 100 - Y 9) Per il Pentano 10) X*0,294 + Y*0,76 = 50 Kmoli 11) X = 100 - Y 12) (100 - Y)*0,294 + Y*0,76 = 50 13) 29,4 - Y*0,294 + Y*0,76 = 50 14) Y*0,466 = 20,6 15) Y = 20,6/0,466 = 44,21 Kmoli 16) X = 100 44,21 = 55,79 Kmoli 17) Entalpia della miscela liquido + vapore nel Serbatoio di Flash; 18) Entalpia del Liquido = 19) 55,79*65*(0,294*72*0,66 + 0,706*100*0,57) = 196595 Kcal 20) Entalpia del Vapore = 21) 44,21*(0,76*72*(80 + 0,66*65) + 0,24*100*(80 + 0,57*65)) = 421511 Kcal 22) Entalpia Totale Liquido + Vapore = 196595 + 421511 = 618106 Kcal 23) Essendo 618106 > 498200 bisognerà ridurre ancora la temperatura (Provare 60 C ecc. ecc.).
FIGURA LIC-1 Controllo livello fondo colonna C-1 LIC-2 Controllo Livello Serbatoio D-1 PI-1 Pressione fondo colonna C-1 PIC-1 Controllo Pressione serbatoio D-1 TI-1 Misura Temperatura liquido Out C-1 TI-2 Misura Temperatura Ingresso Serbatoio D-1 V-1 Valvola Controllo Livello Colonna C-1 V-2 Valvola Controllo Livello Serbatoio D-1 V-3 Valvola Controllo Pressione Serbatoio D-1
GRANDEZZE FISICHE DATI RICAVATI DAL GALLANT Phisical Properties of Hydrocarbons Tensione di Vapore Calore Vaporizzazione Calore Specifico