principi di DISTILLAZIONE appunti e schemi versione#B2 - Prof. A.Tonini – www.andytonini.com

1°PARTE: CARATTERISTICHE – RETTIFICA – P.TO LAVORO – BILANCI - COLONNE E CONTROLLI

2°PARTE: ALTRI TIPI - FLASH – BATCH - AZEOTROPICA - APPENDICI -

È un processo di separazione liquido-liquido del tipo trasporto di materia, finalizzata alla separazione dei componenti di una miscela omogenea, basata sulla diversa T di ebollizione dei componenti (diversa tensione di vapore, diversa volatilità): si basa su fenomenni fisici per cui due o più liquidi miscibili vengono fatti passare tramite ebollizione dallo stato liquido allo stato di vapore: la vaporizzazione parziale della miscela produce dei vapori, ricchi del componente più volatile, che una volta separati e condensati danno una nuova miscela liquida (distillato) con aumento concentrazione del componente più volatile.

DISTILLAZIONE - 1°PARTE:

1 - CONOSCENZE BASE - SISTEMI A 2 COMPONENTI – ► vedi anche documento complem.equilibrio liquido vapore- vedi definizioni in chim-fisica – vedi anche APPENDICE –

-miscele ideali (per semplificare: binarie , A sost.più volatile e B meno volatile) completamente solubili in fase liq-gas; -conoscenze di base: tensione di vapore, funzione della temperatura (p°A ; p°B ); pressione parziale ( pA ; pB);

frazioni molari (fase liq. xA =nA/(nA+nB); fase gas yA=nA/(nA+nB) ); volatilità relativa = p°A / p°B; eq.Antoine; eq.Clapeyron; per sistemi a 2 COMPONENTI IDEALI valgono le 2 leggi: -LEGGE RAOULT: (miscele ideali liq/vapore) pA = p°A * xA ; pB = p°B* (1-xA); -LEGGE DALTON: (soluz.ideali gas-vapori) pA= p* yA; pB= p*(1-yA);

--CONDIZIONI ALL’EQUILIBRIO – DIAGRAMMI DI FASE:

all’eq.uguaglianza pressioni parziali pA pA ; pB pB;

da cui: xA =(p- p°B )/( p°A - p°B )

yA= xA* p°A/p quindi: nota una temperaturaTi; determino p°A p°B a quella Ti (da tabelle o formule); calcolo xAi , yAi ; e via di seguito, con le temperature comprese tra quella di ebollozione TA puro e TB puro; fino a disegnare i due diagrammi, [1] diagr (x/y) e [2] diagr (T/x/y). N.B. A press. tot. costante (p=101,34 kPa): diagr.1 x/y curva equilibrio in rosso; diagr.2 T/x/y viola curva condensazione (o di rugiada), blu curva di ebollizione. (vedi anche appendice)

---------Distillazione semplice- lettura dei diagrammi: N.B. comportamento di una miscela binaria A/B a riscaldamento: p.to 1 liquido da riscaldare (composiz. x1 in A) p.to 2 all’ebollizione:prima bolla di vapore a composiz. y2 p.to 3 riscaldando fino a T3: equilibrio liq/vap a composiz. x3/y3 p.to 4 alla T4: ultima goccia di liq.a composiz.x4 p.to 5 a T5 il sistema è tutto vapore a composizione y1 similmente partendo da 5 e raffreddando.

---------Distillazione frazionata o per rettifica:

successione di condensazioni e ebollizioni delle frazioni vapore e liquido, separate dagli ambienti di equilibrio, e inserite in altri ambienti di equilibrio, che porta a ottenere i componenti A e B quasi puri, partendo da un miscuglio A/B di composizione iniziale x0.

Partendo dal p.to 3 di equilibrio, separo vapore di composizione y4, condenso parzialmente fino al p.to 5 e separo vapore y6,condenso fino al p.to 7 e separo vaapore y8,e così via fino a y12 e poi A puro.

contemporaneamente dal p.to 3 separo il liq x13, riscaldo fino al p.to 14 e separo liq x15, successivamente riscaldo fino a ottenere liq composizione x19 e quindi B puro.

i vapori e i lquidi separati ritornano nei rispettivi sistemi di equilibrio di origine per continue ebollizioni-condensazioni; alimentando in continuazione liquido di composizione x0, ottengo in continuo A e B puri.

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Prof. A.Tonini Il processo descritto può essere effettuato in continuo con successione di apparecchiature modulari (fig. a destra), oppure in colonne verticali, p.es.colonne a piatti (fig. a sinistra). F alimentazione (A più volatile/B più altobollente) D prodotto di testa (A puro) Wprodotto di coda (B puro) E1 condensatore E2 ribollitore C1 col.distillazione per rettifica

-----DISTILLAZIONE PER RETTIFICA: [INIZIO] -definizione: distillazione continua, multistadio (piatti) con stadi di equilibrio, controcorrente, con riflusso di testa e di coda; -il riflusso di testa serve per assicurare al piatto di testa un battente di liquido che impedisca il trascinamento di B; -il riflusso di coda serve per strippare con vapore ricircolato dal basso il componente più volatile ancora presente; -l’alimentazione F suddivide la colonna in due zone: quella superiore detta di arricchimento, quella inferiore detta di strippaggio o esaurimento; -le temperature aumentano scendendo dall’alto (p.to più freddo) verso il basso(p.to più caldo); il N°piatti va dall’alto (primo piatto) al basso (ultimo piatto); -su ogni piatto avvengono vari fenomeni di scambio di materia e energia tra vapore e liquido che portano alla separazione e all’arricchimento delle correnti uscenti in A (in alto) e B (in basso): a- il liquido discendente, più freddo, scende nel piatto, più caldo, così evapora parte di A liq. che sale; b- il vapore, più caldo, sale dal basso sul piatto, più freddo, così condensa parte di B vap.che scende; c- su ogni piatto avvengono quindi scambi di materia e energia tra liquido e vapore gorgogliante, e

all’uscita le correnti liquide e gassose escono in condizioni di equilibrio, nel piatto i-esimo yAi xAi, il vapore più ricco di A (bassobollente), il liquido più ricco di B (altobollente); d- alla fine in testa colonna avremo A quasi puro, in fondo colonna B quasi puro;

BILANCI DI MATERIA della colonna di rettifica (entrata = uscita): F = D + W ( generale) FzAF = DxAD + WxAW (componente A più volatile; anche zAF = xAF composiz.di A in F) R = L/D; L= R*D; V = D + L =D(1+R); (ricircolo di testa) L’ = W + V’ (ricircolo di coda)

CALCOLO N° STADI DI EQUILIBRIO - metodo semplificato McCabe Thiele: ipotesi di partenza: - miscele liquide binarie ideali; nulli i calori di mescolamento; stessa volatilità relativa in tutta la colonna;

- uguali calori latenti molari di evaporazione dei 2 componenti A e B, A e B; -isolamento interno/esterno della colonna: nessuna perdita/acquisto di calore; -nessuna entrata/uscita di materiali lungo la colonna;

-nulli i calori sensibili delle miscele in ogni piatto (mcT=0 causa salti di temperatura tra piatti trascurabili, con T=0)

conseguenza: le portate molari di liquido e vapore lungo la colonna si mantengono costanti (in assenza di prelievi o aggiunte), L e V zona arricchimento, L’ e V’ zona esaurimento; cambia da piatto a piatto solo la composizione; a ogni mole di vapore condensante, sul piatto, corrisponde una mole di liquido vaporizzato;

RETTE DI LAVORO e N°PIATTI a) BILANCIO ZONA DI ARRICCHIMENTO (vedi fig.1 a lato): V= L + D; R = L/D; Vyn+1 = Lxn + DxD ; da cui per tutti i piatti della zona si ottiene

yn+1 =L/(L+D) xn + D/(L+D)xD, e in generale la cosiddetta retta di lavoro zona di arricchimento (vedi diagr x/y), passante per p.to [yD;xD] e p.to di coordinata [y=xD/(R+1); x=0],

inclinazione tg = R/(R + 1); la retta rappresenta un legame tra le correnti entranti e uscenti da ogni lato del piatto *correnti all’interstadio+; retta arricchimento: y =L/(L+D) x + xD D/(L+D) e anche y =R/(R + 1) x + xD /(R + 1) ;

b) BILANCIO ZONA DI ESAURIMENTO- STRIPPAGGIO (vedi fig.2 sopra): L’ = W + V’; L’ xm-1 = W xW + V’xm; da cui similmente la retta di lavoro zona di esaurimento: retta esaurimento: y = x L’/(L’-W) – xW W/(L’-W) ;

Prof. A.Tonini c) Calcolo del N°PIATTI con metodo Mc CABE THIELE dal diagramma x/y : COSTRUZIONE GRAFICA A GRADINI

*p.to A (xD/yD) inizio retta arricchimento, xD yD, stessa composizione vap.uscente/riflusso entrante;

*piatto 1- interfase superiore xD/y1; traccio l’orizzontale fino al p.to B;

*p.to B (y1/x1) su curva eq. con y1 in equilibrio con uscita x1: piatto 1!

*piatto 1- interfase inferiore: trovo il p.to C (x1/y2) su retta lavoro di arricch., con x1 legato a y2 [y2=x1/(R+1)+ xD/(R+1)];

*trovo il p.to D (y2/x2) con y2 in equilibrio con uscita x2: piatto 2!

*piatto 2- interfase inferiore: trovo il p.to E (x2/y3) con x2 legato a y3 [y3=x2/(R+1) + xD/(R+1)] da retta di lavoro (stesso lato del piatto);

*trovo il p.to G (y3/x3) con y3 in equilibrio con uscita x3: piatto 3!

* e così via, fino all’intersezione con la retta di esaurimento, [e poi fino al fondo col. su retta esaurimento-vedi oltre-]; il N°piatti è dato dai vertici sulla curva di equilibrio.

d) PIATTO DI ALIMENTAZIONE –condizioni termiche dell’alimentazione - N.B.: le due rette di lavoro si uniscono sul diagramma x/y in una posizione che tiene conto dello stato termico dell’alimentazione; BILANCI del PIATTO DI ALIMENTAZIONE (H entalpie): di materia: F + V’ + L = V + L’; di energia: FHF + V’HV’ + LHL = VHV + L’HL’ ; e gli altri bilanci precedenti; semplificando si ottiene l’espressione (L’ – L)/F = (HV - HF )/ (HV - HL) = q fattore del seguente significato: parte (1) moli di liquido formatisi sul piatto, rispetto all’alimentazione;

parte (2) calore per vaporizzare 1 mole di alimentazione fratto il calore di vaporizzazione; q è il fattore che tiene conto delle condizioni termiche dell’alimentazione; valori di q:

q=1 per F liquido a T ebollizione: con HF HL;

q=0 per F vapor saturo secco: con HF HV; q>1 per F liq.sotto la T ebollizione q

Prof. A.Tonini g) DETERMINAZIONE DEL PUNTO DI LAVORO (p.to O) E N°PIATTI:

-sul diagr.x/y si traccia la curva di equilibrio; -si eseguono i bilanci di materia della colonna; -si determina il valore di q (stato termico F) e si traccia la retta q; -si traccia la retta arricchimento, da xD , passante per p.to intersezione tra retta q e curva di equilibrio

p.to pinch P; -sull’ordinata si legge il valore ymin=xD/(Rmin +1), e si calcola quindi Rmin=(xD-ym)/ym; -si calcola Roper= K Rmin, si calcola quindi yoper= xD/(Roper +1), e da questo valore si traccia fino a xD la nuova retta di arricchimento; -si unisce il p.to intersezione della retta arricchimento con retta q, (p.to O), con xW (retta esaurimento); -partendo dall’alto, p.to xD su retta arrichimento, si esegue la costruzione grafica a gradini

dei piatti (vedi preced. costruzione a gradini); quando si supera la retta q, la costruzione a gradini sfrutta la retta di esaurimento; (nella fig.a lato N°piatti=6, 3 nella zona superiore, alimentazione tra 3 e 4). m) EFFICIENZA DELLA COLONNA

determinazione del N°piatti reali, nota l’efficienza della colonna (p.es.65%): N°reali = N°teor /

[in appendice efficienza del piatto - Murphree] n) DETERMINAZIONE semplificata del DIAMETRO COLONNA:(vedi Es. a parte) -sezione di testa, portata volumetrica: QV= V/3600*22,4*T/T°*p°/p (m

3/s) [con V Kmol/h;p=bar;TtestaK;T°=273K]; scelto v= 0,6 m/s vel.vapori in colonna:

diamT = √ (4QV/v) m; distanza tra piatti=0,6 m; [VEDI TAB.] -sezione di coda, portata volumetrica: QV’= (V’/3600 22,4 T/T° p°/p) (m

3/s);

Sezione = QV’/v m2; diamC = √ (4QV’/v) m

ALTRO METODO:

vel.vapori v=k x RADQ[(L-V)/V] m/s; con =dens.liq/vap.: =pPM/RT kg/m3;p=101,3kPa;R=8,31kJ/kmolK PM=peso molec kg/kmol; k (m/s)=cost. da tabelle; poi svolgimento come sopra. p) Altezza colonna H: se N°piatti=8, Hcol.=(Np+1)x0,6=5,4 m; [INIZIO]

p) BILANCI TERMICI delle APPARECCHIATURE:

- CONDENSATORE di TESTA: potenza termica QC= V VAPcond = PH2O c Taq (Q= kJ/h; e portata di acqua del condensatore P= Kg/h)

- RIBOLLITORE di CODA: potenza termica QR= V’ VAPrib =VB condVB; (VB: vapore di rete)

- COLONNA - BILANCIO TERMICO: Calore entrante = calore uscente; (bilancio entalpico)

Halim + Hriboll = HD + HW + Hcond ; H riboll= - Halim + HD + HW + Hcond = -FCPTF+DCPTD+WCPTW + V cond

SCHEMA DI PROCESSO COL.DISTILLAZIONE PER RETTIFICA CON CONTROLLI ESSENZIALI

LEGENDA MATERIALI:

1 PRODOTTO IN ENTRATA

2 DISTILLATO DI TESTA

3 DISTILLATO DI CODA

4 INCONDENSABILI

LEGENDA APPARECCHIATURE:

E1,2 PRERISCALDATORI

C1 COLONNA DI RETTIFICA A PIATTI

E3 CONDENSATORE

E4 RIBOLLITORE

D1 SERBATOIO CONDENSATO

G1,2 POMPE CENTRIFUGHE

byProf. A.Tonini

[INIZIO]

Prof.A.Tonini CONTROLLI:

assicurano il funzionamento stabile a regime, opponendosi a disturbi; assicurano la produzione con le caratteristiche richieste, secondo i bilanci di materia/energia delle apparecchiature; ogni tipo di distillazione ha variabili caratteristiche da controllare;

CASO DISTILLAZIONE PER RETTIFICA – miscele binarie - dati: F alimentazione, zF, TF; R=L/D; ribollitore portata VB a TVB cost.; condensatore portata H2O a Taq ingresso costante;

CASO PRODOTTO DI TESTA PRIORITARIO: controllo T: -sull’alimentazione F, *fattore q+;

-su piatti testa colonna, agente su portata ricircolo: per L>, si abbassa T testa, xDtesta>,

controllo p: -testa colonna, agente su portata acqua al condensatore [in uscita], per cond.totale, altrimenti su incondensabili uscenti dal serbatoio condensa;

controllo portata: -su alimentazione F; -sul vapore del ribollitore della colonna;

controllo livello: -sul serbatoio condense, agente su uscita D, per assicurare il funzionamento del controllo T testa (ricircolo) -sul ribollitore della colonna, per assicurare la bagnabilità del fascio tubiero;

CASO PRODOTTO DI CODA PRIORITARIO: variazioni: testa colonna: controllo portata ricircolo;coda colonna: controllo T piatti di coda agente su portata vapore ribollitore;

CASO COLONNA SOTTO VUOTO: variazioni: controllo pressione agente su ricircolo incondensabili uscenti da pompa a vuoto (G3- ad anello liquido); controlli portate come da schema a lato.

ESEMPI di APPARECCHIATURE:

COL.PIATTI A

CAMPANELLE

E A VALVOLE

piatti a campanelle:

uso per diametri >1m, per liquidi sporchi,

grassi, per tagli laterali; anche con portate

gassose variabili e basse; manutenzione e

efficienza migliore; grande flessibilità

operativa,

COLONNA A PIATTI FORATI

sistemi idraulicamente più instabili, uso

solo in casi particolari, con portate gas

costanti;

COLONNA A RIEMPIMENTO

per diametri

DISTILLAZIONE - 2°parte Prof.A.Tonini

DISTILLAZIONE – ALTRI TIPI DI CONDUZIONE:

IN CORRRENTE DI VAPORE APPLICAZIONE: per separare liquidi ad alto p.to

ebollizione, per sostanze termolabili o esplodenti, per

separare liquidi immiscibili, p.es. con vapor d’acqua;

[ind.petrolifera,farmaceutica,alimentare...]

PRINCIPIO: per 2 sostanze immiscibili, il sistema bolle a

T di quella delle singole pressioni

parziali. Vedi diagr.a lato [Hausbrandt] – miscela di

sost.immiscibili col vapore:

Ptotale = p°Vap + p°A + p°B+ p°C..., [ tens.di vap]

ribaltando l’origine della curva della tens.vapore pVap in (0*), a ptot. data, il p.to

M rappresenta il miscuglio Vap+A, tale che Ptotale= pVap + pA; questo si realizza con una Tebollizione del sistema

TVap+A< TA e < TVap puri a quella Ptot.; e questa sarà la temperatura cui il sistema distilla.

N.B.: il rapporto pV°/pA° = PyV/PyA = ... = nV/nA rapp.tra moli. rra

IN PRESSIONE Uso per sostanze che a pressione ambiente sono vapori (es.:GPL; vedi colonna C2 di stabilizzazione testa topping)

SOTTO VUOTO Uso per sostanze altobollenti o termolabili (es.:vacuum petrolifero)

DISTILLAZIONE FLASH CONTINUA - di equilibrio E’ un processo continuo in singolo stadio, senza ricircolo, impiegato per

separare due componenti aventi volatilità abbastanza diverse. Consiste nel

vaporizzare parzialmente la carica ottenendo una fase vapore più ricca nel

componente volatile e liquida più povera. La parziale vaporizzazione [0

[INIZIO] Prof.A.Tonini

DISTILLAZIONE DI MISCELE NON IDEALI –

DEVIAZIONI DAL COMPORTAMENTO IDEALE - AZEOTROPI -

Caso distillazione di miscele non ideali:

curva Raoult deviata, pA= Ap°AxA; pB = p0B B xB con A B coeff.attività; le miscele non seguono Rault e presentano

deviazioni negative o positive.

DEVIAZIONI NEGATIVE:

le pressioni parziali risultano inferiori a quelle teoriche pA

[INIZIO] Prof.A.Tonini

APPENDICI: ---------------------------------------------------- → VEDI ANCHE DOCUMENTO “COMPLEMENTI EQUILIBRI LIQ-VAP CHIMICA-FISICA”

1) Equazione di CLAPEYRON:

dall’equazione è possibile ricavare qualsiasi tensione di vapore di

un componente puro, (p.es. p°2 alla temperatura T2) noti il calore

latente e il punto di ebollizione normale del liquido (p°1 a T1).

2) Legge di ANTOINE:

L'equazione di Antoine per un liquido chimicamente puro in

equilibrio col suo vapore permette, attraverso la conoscenza di alcune costanti specifiche relative al

componente, e conoscendo la temperatura di ebollizione di tale componente (gradi K), di calcolare la

sua tensione di vapore (kPa);

[P° è espressa in KPa;T è espressa in Kelvin; le costanti A, B e C sono determinate per via empirica].

3)tracciamento della CURVA DI EQUILIBRIO x/y nota la VOLATILITÀ RELATIVA,

nota la volatilità relativa = p A ° /p B °, applicando la formula y = x /[1 + x( -1)], per i vari valori di x, si ricavano le y relative, e quindi la curva x/y:

4)Rappresentazione grafica delle PRESSIONI PARZIALI

per miscele IDEALI che seguono la legge di Raoult

La legge di Raoult puo essere rappresentata in maniera grafica: sull'asse delle

ascisse riportiamo le frazioni molari, sulle assi delle ordinate la tensione di

vapore dei due componenti A e B puri [p°A;p°B] e i valori delle pressioni

parziali pA pB.Il grafico, a Temperatura costante, mostra due rette che

rappresentano la legge di Raoult [pA=p°AxA; pB=p°BxB], piu una terza, che

rappresenta la Legge di Dalton [ptot=pA+pB] ed una curva che identifica la

fase vapore. Partendo da un punto sull'asse delle ascisse (X*), si scorre verso

l'alto fino ad incontrare la retta relativa alla componente A e si individua la

corrispondente tensione di vapore osservandola sull'asse delle ordinate (PA*).

Alla stessa frazione, proseguendo ancora verso l'alto s'incontra la retta

relativa alla componente B, anche in questo caso spostandosi da quel punto

sull'asse delle ordinate si individua la corrispondente tensione di vapore

(PB*). Proseguendo ancora sempre verso l'alto, incontrando la retta che

collega PA° e PB° si intercetta il valore della Pressione totale (P*=pA*+pB*). Infine, se da quest'ultimo punto, ci si muove fino ad

incontrare la curva del vapore (costruita per punti dalle eq.note, pA = yA * p e sim.) e da qui si scende verso l'asse delle ascisse,

si puo estrapolare la frazione molare nella fase vapore (Y*).Il segmento compreso tra il punto relativo alla pressione totale ed il

punto che raggiunge la curva del vapore, rappresenta l'arricchimento del vapore.

5)DISTILLAZIONE AZEOTROPICA

ACQUA/ALCOL ETILICO +

BENZENE in 3 colonne –

[vedi anche docum.bioetanolo]

x 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

y 0 1

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6) EFFICIENZA DEI PIATTI

MURPHREE – valore per un piatto

(stadio di equilibrio)

7) STRIPPAGGIO –

vedi documento a parte –

8) DETERMINAZIONE R – DIAGRAMMA ECONOMICO –

LEGENDA linee/curve: [R = L/D]

a=costo installazione: diminuisce col diminuire dell’altezza colonna e n°piatti

all’aumentare di R;[sono costi di ammortamento, annuali];

d=costo manutenzione, valore costante con R;

b=spese impianti ribollitore,condensatore: dimensioni aumentano

all’aumento di R e dei riflussi, con diametro piatti >>;

c=spese fluidi servizio: pompe per portate, acqua e vapore,...;

e=somma costi: andamento che presenta un minimo;

Rmin: noto anche da diagramma x/y, per Hcol.∞

dal diagramma ricavo k=Roper/Rmin

[INIZIO]