EVAPORAZIONEs1ba7968ba6bd47cb.jimcontent.com/download/version/... · 2014. 5. 8. · LA TEMPERATURA...

EVAPORAZIONE

ScopoAllontanare 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.

OperazioneLa soluzione viene portata al punto di ebollizione fornendo calore, parte del solvente viene vaporizzato e (eventualmente) condensato.

EVAPORAZIONE

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.

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

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

Consumo di vapore = capacità/efficienza

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)

ESEMPIODiagramma di Duhring per soluzione acquosa di NaOH


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

• 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.

Controllo della Pressione Operativa


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


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 DA L L’ E S T E R N O F I N O A P O RTA R L O 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

CALORE

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

FLUIDO RISCALDANTE TROPPO ENERGETICO

(TROPPA DIFFERENZA DI TEMPERATURA TRA Teb DEL LIQUIDO

E T DEL FLUIDO RISCALDANTE

Calore scambiato tra i due fluidi Flusso di calore tra i due fluidiproporzionale al

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.


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)


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

APPARECCHIATURE:GLI EVAPORATORI

EVAPORATORI

CIRCOLAZIONE NATURALE CIRCOLAZIONE FORZATA

TUBI ORIZZONTALI TUBI VERTICALI

TUBI VERTICALI CORTITUBI VERTICALI LUNGHI

A CALANDRIA A PANIERE

TIPOLOGIA PIU’ COMUNE

EVAPORATORI ATUBI VERTICALI

EVAPORATORE A PANIERE

EVAPORATORI A CALANDRIA

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EVAPORATORI A TUBI ORIZZONTALI

EVAPORATORI A TUBI VERTICALI LUNGHI

TIPO KESTNER

EVAPORATORE AGITATO

EVAPORATORE A CIRCOLAZIONE FORZATA

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Fig. 5. Swenson LTV Rising-Film Evaporator with Vertical-Tube Surface Condenser

5

EVAPORATORE A FILM CADENTE

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! Fig. 7. Swenson Forced-Circulation, Submerged-Inlet, Vertical-Tube Evaporator

9


TUBI VERTICALI


TUBI ORIZZONTALI

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What is an evaporator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

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

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Swenson® evaporator experience !@2$#,(#!Technology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Preheaters and Condensate Flash Systems !"#$%$&'$#(!&)*!+,)*$)(&'$!-.&(%!(/('$0(!$!,-'$)!1)+,#2,#&'$*!1)',!34$)(,)!2#,+$((!*$(15)(!',!#$*6+$!('$&0!+,)(602'1,)7!"#$%$&'$#(!$!6($*!',!%$&'!'%$!-$$*!',!&)!$8&2,#&',#!41'%!&!%$&'9'#&)(-$#!0$*160:!2#$-$#&;./!,-!.$((!$)$#5/!8&.6$!'%&)!'%&'!,-!'%$!('$&0!,#!8&2,#!+,)*$)($*!1)!'%$!$8&2,#&',#!%$&'!$6,#7!?$&'!'%&'!1(!&**$*!1)!2#$%$&'$#(!#$2.&+$(!'%$!%$&'!'%&'!4,6.*!%&8$!;$$)!&**$*!1)!'%$!$8&2,#&',#!%$&'!$

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Fig. 6. Triple-Effect, Membrane Cell, Caustic Soda Evaporator Fig. 6A. Two, 4-Stage, Mechanical Recompression, Falling-Film Evaporators!

6

DIMENSIONAMENTO DEGLI EVAPORATORI

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)

BILANCI DI MASSA

F = V + S Bilancio di massa sulle portate

F * C0 = S * C1 Bilancio di massa sul soluto


BILANCIO DI ENERGIA

F*HF + W*λW = V*HV + S*HS


Q = U*A*(tW–tS)

Q = W * λW

EQUAZIONE DI TRASFERIMENTO(per il calcolo di A del fascio tubiero)

con il Q scambiato calcolabile da


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

DUPLICE EFFETTO IN EQUICORRENTE

DUPLICE EFFETTO IN CONTROCORRENTE

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.

EQUAZIONI DI BILANCIO: EQUICORRENTE

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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 = V2 * HV2 + S2 * HS2 + V1 * HV1

EQUAZIONI DI BILANCIO: CONTROCORRENTE

hc1

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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 = V2 * HV2 + S1 * HS1 + V1 * HV1

APPARECCHIATURE AUSILIARIE PER GLI EVAPORATORI

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).

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.


A PRESSIONI BILANCIATE

E ’ u n o s c a r i c a t o r e d i t i p o

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 ma t e r i a l e d i l a t a b i l e .

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.


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.

CICLONE

Cortesia: stabilimento LYONDELL-BASELL (Ferrara)

CONDENSATORE BAROMETRICO

DIMENSIONAMENTO CONDENSATORE BAROMETRICO

Si tratta di calcolare Fa portata di acqua di raffreddamento

da cui si ottiene

CONDENSATOREBAROMETRICO

LE APPARECCHIATURE PER IL VUOTO

!

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.

EIETTORI(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.

POMPA AD ANELLO LIQUIDO

(Simbolo UNICHIM)

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 !!

LE APPARECCHIATURE PER IL VUOTO

EIETTORI

POMPEANELLOLIQUIDO

SCHEMI DI PROCESSO

(Con preriscaldamento dell’alimentazione)

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