UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

SCUOLA POLITECNICA E DELLE

SCIENZE DI BASE

CORSO DI IMPIANTI CHIMICI

LANCIA- DI NATALE

12 CFU

Allievi

Arianna Parisi

Rosalia Ferraro

Virginia Manna

Valeria Di Martino

Rossella D’Onofrio

Impianti chimici. Lezione 03/08

Introduzione e classificazione delle operazioni di separazione Il corso si occupa di trattare apparecchiature che eseguono le cosiddette operazioni unitarie, in

particolare quelle volte alla separazione dei componenti che costituiscono una miscela fluida, liquida o

gassosa. Tra queste, si andranno a considerare: distillazione, assorbimento, estrazione liquido-liquido

e torri di raffreddamento.

In passato, l’attenzione era volta essenzialmente al processo, ossia all’insieme di operazioni unitarie

compiute dalle varie apparecchiature di cui il processo è composto. Tuttavia si è poi osservato che nei

vari processi ciò che ricorre è la singola apparecchiatura, per cui l’attenzione è stata spostata alle

operazioni unitarie.

Una classificazione di queste apparecchiature può essere effettuata sulla base delle grandezze

termodinamiche che sono alla base del singolo processo di separazione:

• DIVERSA TENSIONE DI VAPORE. La distillazione sfrutta le differenti tensioni di vapore di due

liquidi costituenti una miscela binaria. Tale metodo è efficiente solo se le due tensioni di

vapore sono sufficientemente diverse, così da poter generare un gas, fatto del componente più

volatile, e un liquido, prevalentemente costituito dal componente meno volatile.

• DIVERSA SOLUBILITÀ GAS IN LIQUIDO. L’assorbimento prevede la separazione di correnti

gassose multicomponenti sfruttando la diversa solubilità dei gas all’interno dei liquidi. Ad

esempio, avendo una miscela di aria e SO2, si può pensare di usare come liquido assorbente

l’acqua, poiché l’ossigeno e l’azoto si sciolgono poco in essa, mentre la SO2 risulta più solubile.

• DIVERSA SOLUBILITÀ LIQUIDO IN LIQUIDO. La separazione di un liquido A da un liquido B

può essere problematica quando i due liquidi presentano tensioni di vapore simili oppure

quando il calore di vaporizzazione di uno di essi è molto alto (ad esempio l’acqua presenta un

elevatissimo λvap). In questo caso risulterebbe molto costoso separare la miscela usando una

torre di distillazione, poiché se le tensioni di vapore sono molto simili, saranno necessari molti

piatti, mentre se il calore di vaporizzazione è molto elevato, occorrerà fornire una quantità

troppo elevata di energia al ribollitore. Pertanto si sfrutta la diversa solubilità di un liquido in

un altro liquido e si effettua l’estrazione liquido-liquido, eseguita mediante un liquido C, detto

estraente, in grado si solubilizzare il liquido A (ma non il liquido B) e smescolare la miscela A-

B. Il liquido C deve essere tale da dare una miscela A-C facilmente distillabile.

È importante analizzare le varie differenze: la distillazione richiede che venga fornita energia al

sistema (sottoforma di calore al ribollitore di una torre di distillazione), mentre nell’assorbimento e

nell’estrazione liquido-liquido occorrerà fornire materia al sistema (sottoforma di liquido assorbente

o estraente alle colonne di assorbimento o di estrazione).

Le colonne di distillazione a piatti sono costituite da una successione di piatti, che per semplicità sono

stati, in passato, supposti di equilibrio. Essi consistono in lamiere forate e leggermente inclinate,

affinché l’inclinazione permetta di far scendere il liquido (generato in testa alla colonna per

condensazione *), mantenendo un battente del liquido sul piatto costante, mentre i fori permettono il

passaggio e dunque il gorgogliamento del gas (generato alla base della colonna da un evaporatore) in

risalita, il quale si muoverà attraverso il battente di liquido sottoforma di bollicine.

Schema della torre di distillazione a piatti.

Tra le bolle di gas e il liquido, che vengono in contatto, ci sarà uno scambio di materia, dovuto alla

differenza di concentrazione delle due sostanze presenti nelle due fasi. Se il tempo di scambio (tempo

di permanenza) è sufficiente, quando le bolle fuoriescono dal liquido avranno raggiunto le

concentrazioni di equilibrio previste dalle leggi della termodinamiche, ad esempio quelle di Raoult. In

genere non si riesce mai a raggiungere l’equilibrio e quindi parleremo di efficienza del piatto, intesa

come la distanza delle condizioni effettivamente raggiunte su ogni piatto rispetto a quelle ideali di

equilibrio. Per ottenere piatti ad elevata efficienza è indispensabile realizzare un intimo contatto tra le

due fasi e massimizzare l’area di scambio, così da rendere massimi i flussi di materia esprimibili come

Q=k·A·∆c. Come suggerisce l’espressione del flusso di materia, la quantità di materia scambiata cresce

al crescere dell’area di scambio, per cui è importante realizzare attraverso i fori alla base del piatto,

bolle molto piccole. Tuttavia quanto più le bolle sono piccole, tanto maggiori sono le perdite di carico

dovute al fatto che, se i fori sono piccolissimi, il gas ci passa difficilmente attraverso per cui dovrà

essere spinto tra essi, e ciò richiede spese di compressione. Occorrerà trovare un ottimo economico,

diagrammando i costi in funzione del diametro delle bolle e cercando un minimo per tale funzione.

Su ogni piatto bisogna considerare a rigore anche uno scambio di energia, oltre che di materia, poiché

il vapore, che proviene dal ribollitore, e il liquido, che proviene dal condensatore, si trovano a

temperature differenti.

La colonna di assorbimento funziona sostanzialmente allo stesso modo, nonostante la grandezza

termodinamica che ne regola il funzionamento sia diversa, in quanto il progettista deve occuparsi del

problema del contatto tra una fase gas (la corrente da separare) e una fase liquida (il liquido

assorbente). Sarebbe possibile usare la colonna a piatti, facendo sì che il gas risalga dal basso

(sfruttando una ventola) e gorgogli, passando nei fori, tra il liquido assorbente il quale scende lungo i

piatti. Generalmente però si preferisce una soluzione progettistica differente, che consiste nelle torri a

spruzzo. Queste nebulizzano il liquido assorbente e lo spruzzano attraverso il gas, che viaggia dal

* È importante ricordare che nel

condensatore della colonna, di tipo

tubi e mantello, si fa passare il

vapore da condensare nel mantello

e l’acqua di raffreddamento nei

tubi, poiché l’acqua tende a dare

incrostazioni e quindi, per evitare

di effettuare un processo di

demineralizzazione, la si fa passare

nei tubi, i quali sono più semplici da

ripulire rispetto al mantello.

basso verso l’alto. Da notare che, mentre nelle torri a piatti il liquido è il mezzo continuo e il gas il

mezzo discontinuo, nella torre a spruzzi sarà il gas il mezzo continuo e il liquido nebulizzato come

mezzo discontinuo.

Schema della torre di assorbimento a corpi di riempimento.

Le colonne di assorbimento a spruzzo richiedono l’uso di ugelli in grado di nebulizzare il liquido in

gocce piccolissime, per massimizzare l’area di scambio; tali ugelli tuttavia presentano il problema

delle perdite di carico (maggiore è la pressione del liquido e più piccole saranno le dimensioni delle

gocce). Una soluzione alternativa è la torre di assorbimento con corpi di riempimento. Questa

presenta nella parte alta degli ugelli che spruzzano il liquido in gocce molto grosse e indirizzano il

getto su dei corpi cilindrici, detti anelli rashig, di cui la torre è completamente riempita.

Anelli Raschig in materiale ceramico.

Riempimenti strutturati per colonne di assorbimento.

Così l’area superficiale di tutti gli anelli sarà completamente bagnata, sia internamente sia

esternamente al corpo cilindrico, dal liquido, cosicché il gas che risale passando attraverso questi

anelli, non vede la superficie dell’anello, bensì il liquido che la ricopre. Tra l’altro il gas risale

facilmente attraverso gli anelli rashig, poiché il foro di tali anelli è piuttosto grande, quindi non ci sono

elevate perdite di carico.

Nelle torri di assorbimento si verificano solo scambi di materia. Gli scambi di energia sono trascurabili

e l’operazione si esegue a temperatura ambiente, salvo il caso in cui il calore di solubilizzazione del

gas nel liquido non può essere considerato trascurabile e quindi genera variazioni di temperatura

significative nel liquido a cui bisogna porre rimedio.

L’estrazione liquido-liquido può anch’essa essere eseguita con una colonna a piatti, in cui la corrente

che risale non è un gas, bensì un liquido, a densità differente rispetto a quello che scende tra i piatti.

Tale liquido sale attraverso i piatti forati sottoforma di goccioline, che gorgogliano nel liquido

continuo. Oppure l’estrazione liquido-liquido può essere fatta in una torre di assorbimento, senza

corpo di riempimento, dove ci saranno le bollicine del liquido nebulizzato che si muovono attraverso

l’altro liquido continuo che riempie la colonna.

Si può notare che sono possibili numerose soluzioni impiantistiche e sarà il progettista a scegliere

qual è quella più efficiente per l’operazione da effettuare, che presenti il minimo costo.

Dall’analisi di tali soluzioni impiantistiche si osserva una sostanziale differenza tra la colonna a piatti e

la colonna a corpi di riempimento. Nella colonna a corpi di riempimento, il contatto tra le due fasi è

realizzato per tutta l’estensione della colonna perché vi è un flusso contino di gas, mentre nella

colonna a piatti, il contatto tra le fasi si realizza solo sul piatto, ma tra un piatto e l’altro, almeno

teoricamente, è presente solo gas che risale e non liquido. In questo senso, vi è discontinuità nel

trasferimento di materia nella colonna a piatti, mentre il trasferimento risulta continuo nella torre a

corpi di riempimento. Quindi comprendiamo che abbiamo queste due soluzioni impiantistiche

differenti: il trasferimento continuo di materia (colonna di assorbimento) oppure una batteria di

dispositivi in serie (successione di N piatti nella colonna di distillazione).

N.B.: è importante non confondere la discontinuità delle operazioni con la discontinuità temporale. I

processi che saranno considerati sono tutti continui nel tempo, nel senso che sono in condizioni di

regime stazionario.

Precedentemente si è osservato che nella colonna a piatti il contatto tra le fasi si realizza solo sul

piatto, ma ciò è puramente teorico. Infatti non è possibile escludere il gocciolamento del liquido dai

fori del piatto in alcuni punti, in particolare dove il battente di liquido (che non è uniforme su tutto il

piatto come si suppone idealmente, perché se fosse uniforme il liquido non scorrerebbe) è tale da

contrastare l’ingresso del gas e permettere la caduta di gocce di liquido. Il gocciolamento costituisce

un problema, perché le gocce di liquido hanno una composizione differente rispetto a quelle del gas e

se si mescolano con esso, vanificano parzialmente l’operazione di separazione e riducono l’efficienza

del piatto. Ulteriormente è da considerare il trascinamento di gocce di liquido verso l’alto, causato da

elevate portate di gas, anch’esso causa di mescolamento tra la corrente liquida e gassosa e quindi di

abbassamento dell’efficienza.

In vista di quanto detto finora, è possibile fare un riferimento anche alla batteria di concentratori (o

evaporatori a multiplo effetto), che può essere considerata come un’operazione di distillazione a

piatti, fatta di tanti piatti quanti sono i concentratori della batteria, in cui ognuno di essi è

all’equilibrio. Anche questa operazione sfrutta il principio delle differenti tensioni di vapore,

analogamente alla distillazione. Tuttavia vi è un’importante differenza relativamente alle correnti

trattate in caso di distillazione e di concentrazione. Nella distillazione le correnti sono sempre

costituite da entrambi i componenti, chiaramente con concentrazioni variabili lungo la colonna.

Nell’operazione di contrazione la miscela liquido/solido che deve essere separata genererà un vapore

che essenzialmente contiene solo il componente della fase liquida e non il solido. Ciò si verifica perché

nella miscela liquido/liquido i due componenti hanno tensioni di vapore confrontabili e il diagramma

termodinamico di riferimento è, di solito, il classico diagramma a lente. Invece nella miscela

liquido/solido, il componente solido (tipicamente un sale) ha una tensione di vapore notevolmente

più elevata e la sua frazione in fase gas è così piccola da essere trascurabile.

In teoria si potrebbe pensare di eseguire l‘operazione di concentrazione in una colonna a piatti, ma ciò

risulterebbe poco conveniente in quanto di solito si usano pochi concentratori e di grandi dimensioni,

perché le quantità di liquido da trattare sono molto più elevate di quelle elaborate da un piatto in una

torre di distillazione.

Un’ulteriore operazione che si occupa del trattamento di sistemi liquido/vapore (insieme alla

distillazione e alla concentrazione) è la umidificazione/deumidificazione, che permette di modificare

l’umidità dell’aria. Questa operazione è eseguita nelle torri di raffreddamento a corpi di riempimento

(con anelli particolari, caratterizzati da grossi vuoti), all’interno delle quali si verificano scambi di

materia e di energia finalizzati a raffreddare l’acqua di processo. L’acqua è presente in molte

operazioni ed è generalmente usata come fluido di raffreddamento, pertanto è fondamentale

raffreddare l’acqua calda in uscita dagli scambiatori di calore prima di reinserirla nel processo o

nell’ambiente. Il processo è schematizzato in figura:

L’aria ambiente, che presenta una certa umidità, ma non è in condizioni di saturazione, entra nella

colonna e raffredda l’acqua. Il raffreddamento può sicuramente avvenire per differenza di

temperatura se l’aria è più fredda dell’acqua, ma avviene anche quando l’aria è più calda dell’acqua,

poiché il principale motivo di raffreddamento è l’evaporazione dell’acqua, dovuta alla differenza di

concentrazione della stessa tra la fase liquida (puramente acqua) e la fare gassosa (miscela di

ossigeno, azoto e vapore acqueo), ed è possibile proprio perché l’aria non è satura di umidità. Per

poter evaporare, l’acqua sottrae al sistema una quantità di calore pari al calore di vaporizzazione e

quindi la temperatura si riduce. È da notare che il sistema necessita di un reintegro di acqua per

evitare che tale evaporazione causi nel processo una riduzione della portata di acqua

complessivamente circolante. Il reintegro va eseguito con acqua demineralizzata perché la presenza di

sali potrebbe causare accumulo di sale nel tempo in seguito a successive evaporazioni.

IMPIANTI CHIMICI. LEZIONE 03.09. CONTINUO DELLA I LEZIONE.

PIATTO A CAMPANELLA

Questo piatto è uno degli elementi del nostro impianto. È connotato da dei fori, noti come

DISCENDENTI, tramite i quali fluisce il liquido. Dall’altra parte il piatto è chiuso perché il

liquido che scende dal piatto superiore, incontra quello inferiore nella zona chiusa, riempie

il piatto fino allo stramazzo, scavalcherà lo stramazzo con la cosiddetta cresta e si tufferà

nei fori, per scendere al piatto inferiore dove incontrerà la zona chiusa [… come prima].

Il piatto commercialmente viene venduto con parte di cilindro (quello di prima era solo la

lamiera) ma il piatto è del tutto simile a quello precedente, la differenza è la presenza della

shell di cilindro che è una componente della colonna, quindi ho una flangia. Se ne ho una

successione (ad esempio 3), tra l’uno e l’altro metterò una guarnizione che possa resistere

alle sollecitazioni termiche e/o di pressione che mi consenta di avere bassissime perdite.

La posizione dei discendenti può essere differente: il liquido scende dal centro, procede verso

i lati e scende dai lati stessi che sono connotati dai fori per cui ho un percorso del fluido del

tipo centro - lato - centro. Quello che differisce tra questo e l’impianto precedente è il tempo

di permanenza: il liquido nel primo caso percorre tutto il diametro, nel secondo caso percorre

solo il raggio per cui il tempo di permanenza risulta dimezzato. Il tempo di permanenza è

importante poiché il piatto NON è ideale (non è di equilibrio, ciò comporta la necessità di

progettare il piatto*) ma è reale, essendo reale ho difficoltà a scambiare materia ossia le

equazioni di trasporto sono complesse, per cui preferisco avere un tempo di permanenza

maggiore in modo tale da dare al fluido più tempo per scambiare.

* La progettazione consiste nella scelta della dimensione dei fori (se il foro è piccolo, le

bollicine sono piccole per cui i trasferimenti di materia sono interessanti ma perdo carico),

l’altezza del battente (più è alto, più le bollicine permangono in esso ma perdo più carico).

Un'altra tipologia di piatto è:

questo consente un maggior tempo di permanenza.

DIFFERENZA FORI E CAMPANELLA

Un problema dell’efficienza è il gocciolamento del piatto: se ho una campanella sul foro, il

problema del gocciolamento viene lievemente ridotto.

Ho un cilindro cavo che fa da spessore al piatto, quindi il gas passa e attraverso delle staffette

viene avvitata la campanella che è connotata da tanti merli tramite i quali passa il gas come

piccolissime bollicine. L’acqua è “fuori” per questo viene evitato il gocciolamento. Questa

non è fissa, ma c’è una molla che la richiama quando non c’è spinta (per cui non ho perdite),

quando il gas spinge, questo viene fatto uscire: l’efficienza è perciò elevatissima ma ciò è

costosissimo. C’è anche il problema dello sporcamento: sarà necessario pulire la molla

perché ovviamente questa deve muoversi liberamente. Per cui dovrei considerare la somma

dei costi fissi e di quelli di manutenzione, per questo motivo si preferisce il piatto forato,

nonostante la campanella aumenti la superficie di contatto in quanto i merli costituenti la

campanella frammentano ulteriormente la bolla che viene generata dal foro.