Colonne a Riempimento Dimensionamento Introduzione La colonna a riempimento o colonna a corpi di riempimento o colonna a letto impaccato (in inglese "packed column" o "packed bed") è un'apparecchiatura chimica utilizzata in una serie di operazioni unitarie (tra cui distillazione, assorbimento gas-liquido e strippaggio) in cui è necessario effettuare un trasferimento di materia tra due fasi fluide La colonna consiste in un recipiente cilindrico riempito con un adatto materiale, chiamato "riempimento" (in inglese "packing"). Tale materiale può essere costituito ad esempio da cilindretti in ceramica, e ha la funzione di aumentare la superficie di contatto tra i due fluidi che entrano in colonna, generalmente in controcorrente. Il contatto tra le fasi è di tipo continuo; il riempimento serve per dare una superficie sulla quale il liquido possa scorrere dall'alto verso il basso, mentre il gas risale con moto contrario. Si cerca di avere la massima superficie possibile di scambio di materia. Infatti, all'aumentare della superficie di scambio tra i due fluidi aumentano i coefficienti di scambio, in particolar modo aumenta il coefficiente di scambio di materia, e questo permette di avere apparecchiature con maggiori prestazioni, ovvero meno ingombranti e meno costose. Il liquido può essere immesso dall'alto attraverso un apposito distributore di liquido, dal quale il liquido può scendere da aperture a stramazzo. Il riempimento non viene poggiato direttamente sul fondo della colonna, bensì poggia su un sostegno meccanico ("griglia di supporto"), con aperture di dimensioni minori dei corpi riempimento, in modo da trattenerli. In questa maniera, il gas che entra nell'apparecchiatura dal basso si distribuisce in maniera uniforme attraverso tutta la sezione trasversale della colonna. Sopra la sezione di riempimento (e sotto il distributore) è posizionata una griglia metallica che ha lo scopo di trattenere i corpi di riempimento, che altrimenti potrebbero subire degli spostamenti per effetto della corrente in salita. Inoltre possono essere disposti dei "redistributori" nella sezione di riempimento, ad intervalli regolari, che hanno il compito di rendere più uniforme la distribuzione delle fasi (liquido e gas). Infatti il liquido tende ad aderire alla parete del recipiente, mentre il gas tende ad occupare la zona centrale, per cui in assenza di redistributori diminuirebbe l'area interfacciale gas-liquido e di conseguenza l'efficienza della colonna a riempimento. Tipologie di riempimento Il riempimento può essere eseguito in due modi: in modo casuale a pacchi strutturati. Riempimento casuale Il primo metodo molto utilizzato fino agli anni '70 consiste nel riempire la colonna con elementi cilindrici cavi (anelli Raschig) o elementi a forma di sella (selle Berl, selle Intalox, Anelli Pall) in modo appunto che i due fluidi aderiscano sotto forma di film su tali elementi. Tuttavia la principale limitazione del riempimento casuale è determinata della possibilità che si formino dei cammini preferenziali, ovvero zone in cui il riempimento è meno compatto. In tal caso i fluidi tenderebbero a percorrere la colonna senza distribuirsi uniformemente sul riempimento, con perdite di prestazioni. Altre limitazioni, se vengono introdotti fluidi ad alta viscosità, sono dovute alle perdite di carico elevate ed alla possibilità che la colonna si ingolfi facilmente. In questa sezione verranno esaminate colonne a riempimento riempite in modo casale. In fase di riempimento della colonna particolare cura dovrà essere tenuta per ottenere una distribuzione del riempimento la più omogenea possibile in tutta la colonna. 1
DIMENSIONAMENTO Vedere Tredici (Poli Mi Impianti Chimici 1) e Max Lewa Packed Tower Design 2
Nella scelta del Materiale di Riempimento esaminare sempre se è possibile l uso di Materiale Plastico 3
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Tabella 4 COLONNE A RIEMPIMENTO CARATTERISTICHE MATERIALI DI RIEMIMENTO (Dati da cataloghi fornitori) 7
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Lp* 0,03 0,06 0,09 0,15 M.E.R.L. EFFETTIVO = Lp EFFETTIVO/Lp* VALORE DI Lp PER AVERE M.E.L.R. = 1 OPERAZIONI PROCESSI ATERMICI DISTILLAZIONE RETTIFICA E CASI GENERALI ASSORBIMENTO CON SVILUPPO DI CALORE (es: NH3 / H2O) REAZIONI CHIMICHE CON FORTE SVILUPPO DI CALORE ED ABBATTIMENTO POLVERI 11
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TABELLA 8 DISTRIBUTORE LIQUIDO STANDARD (VALIDA PER PASSO CAMINETTI 130 mm) 13
DISTRIBUTORE LIQUIDO SUL RIEMPIMENTO VERIFICA FLOODING NEI CAMINETTI 14
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TABELLA 9 Colonne a Riempimento Dettagli Costruttivi Area Libera attraverso le Griglie 75% 16
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Scarico liquido di Fondo (W) Verificare sempre che la velocità di scarico del liquido uscente dal fondo della colonna non provochi il risucchio di gas nel liquido uscente. Infatti nel bocchello di uscita si genera una vena contratta di Sezione pari al 60% della Sezione del Bocchello di uscita in cui si genera una depressione pari all altezza cinetica della velocità del liquido nella vena contratta. La pressione nella vena contratta si riduce del valore di questa altezza cinetica e delle perdite di carico del liquido per imboccare la tubazione di uscita pari a 0,5 volte l altezza cinetica della velocità di imbocco del liquido nella tubazione di uscita. Per evitare presenza di gas o vapori nel liquido uscente verificare : a) che la pressione nella vena contratta sia superiore alla tensione di vapore del liquido uscente in modo da non avere vaporizzazione del liquido. b) che la pressione nella vena contratta sia superiore alla pressione Po del gas presente nel serbatoio in modo da evitare trafilamenti di gas dal serbatoio nel liquido uscente. Bisogna tener anche conto che nei bocchelli di uscita di liquido da un serbatoio posso aversi specie per bassi livelli di liquido nel serbatoio formazione di vortici che favoriscono il risucchi di gas. Per ridurre questo rischi sul fondo di un serbatoio installare sempre un antivortice. Esempio dell altezza di liquido richiesta sul bocchello di uscita Liquido: Acqua Densità Acqua = 1000 Kg/(metro cubo) 9,81 = accelerazione di gravità metri/secondo al quadrato) Velocità di ingresso nel bocchello di uscita: 1,5 metri/secondo Velocità acqua nella vena contratta = 1,5/(0,6) 2 = 4,167 metri/secondo Perdita di pressione nella vena contratta rispetto alla pressione di ingresso = ={[(4,167) 2 ]/(2*9,81)}*1000 = 882 mm di colonna d acqua Con una velocità di ingresso dell acqua nel bocchello di uscita di 1/metro al secondo la perdita di carico risulterebbe di 392 millimetri. Per evitare trafilamenti del gas presente nel cielo del serbatoio il livello minimo di liquido da mantenere nel fondo del serbatoio al disopra del bocchello di uscita dovrebbe essere di 882 mm con velocità di uscita di 1,5 metri/secondo e di 393 mm con velocità di uscita di 1 metro/secondo. Queste altezze si mantengono per qualsiasi altro liquido anche di diversa densità. 19
FIGURA 1 Dimensionamento Colonne a Riempimento Diagramma di Eckert Per una determinazione più precisa delle perdite di carico sul riempimento ed interpolare i valori della Figura 1 si può utilizzare la Figura 2. 20
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