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DISTILLAZIONE 2

ITIS Marconi – Forlì

Dicembre 2014

Roberto Zannoni

DISTILLAZIONE

� DIMENSIONAMENTO

– Determinazione delle portate F, D, W a determinatecondizioni di concentrazione z

F, x

De x

W

– Determinazione del numero teorico dei piatti.

– Dimensioni colonna (altezza e diametri).

– Calcoli relativi alle apparecchiature ausiliarie(portate fluidi refrigeranti e riscaldanti, energia

richiesta, riflussi ecc..) .

DISTILLAZIONE

� Una portata di 250 kmol/h di propene e propano al 15 % in moli deve esseredistillata per separare i due componenti. Si vuole un distillato al 90 % in propene ed il fondo al 5 % in propene. Determinare le portate di distillato e di fondo (residuo).

� Risoluzione:

D = 250 (0,15 – 0,05)/(0,90 – 0,05) = 29,41 kmol/h

W = 250 – 29,41 = 220,59 kmol/h

Dati:

• F = 250 kmol/h

• zF

= 0,15

• xD

= 0,90

• xW

= 0,050

Bilanci di materia:

W = F - D

zF

- xW

xD

- xW

D = F * ----------

DISTILLAZIONE

� Spesso le portate vengono date in massa.

Una portata di 250 kg/h di propene (A) e propano (B) al 15 % in massa deveessere distillata per separare i due componenti. Si vuole un distillato al 90 % in propene ed il fondo al 5 % in propene. Determinare le portate in massa di distillato e di fondo (residuo).

Portata in massa A

Portata in massa B

FmA

(in massa) = F * zF * MMA

FmB

(in massa) = F * (1-zF) * MMB

DISTILLAZIONE

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Se le portate molari dei liquidi e dei vapori all'interno della colonna si possonoconsiderare costanti (assenza di prelievi o aggiunte laterali) si può applicare il metodo di Mc Cabe e Thiele.

Condizioni di applicabilità del metodo:

1) Calori latenti molari di evaporazione/condensazione dei due componentisiano il più possibile simili (così evaporano le stesse moli di quante ne condensano).

2) Le miscele liquide devono avere un comportamento ideale (così non manifestano effetti termici)

3) Lungo la colonna non vi siano perdite di calore (colonne coibentate).

Queste condizioni sono abbastanza vere nella zona di arricchimento e nellazona di esaurimento. Nel piatto di alimentazione vi è una discontinuità (unapporto di miscela dall'esterno).

DISTILLAZIONE

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Rette di lavoro

Si può pensare con buona approssimazione che in ogni stadio si lavoriall'equilibrio, per cui valgono:

lnP = A – B/(T+C) equazione di Antoine

T = B/(A-lnP) - C

xA= -------------

P°A- P°

B

P - P°B

yA= -------------

P

xA

P°A

P = cost

xA=1x

A=0

yA=0

yA= 1

y = ------------------------1 + x*(α

Α−Β- 1)

x * αΑ−Β

α= P°A/P°

B

DISTILLAZIONE

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Rette di lavoro zona di arricchimento

Il bilancio di materia: V = L + D

Nel componente più volatile: V * y

n+1= L

* x

n+ D

*x

D

Che dividendo tutto per V e sostituendo a V L+D diventa:

L

L+Dy = * x +

D

L+D* xD

Le coppie di valori xn, y

n+1si troveranno allineate su una retta detta di lavoro

con coefficiente angolare L/(L+D) mentre D/(L+D) è l'intercetta con la retta y= x (diagonale)

DISTILLAZIONE

L

D

Un punto di lavoro sarà (x= xD

e y=xD) che si

trova ponendo x = xD

Mentre un secondo punto si trova ponendo x = 0 (cioè l'intersezione con l'asse delle y:

0,98

0,22

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

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

Frazione molare benzene nel liquido x

Fra

zio

ne

mo

lare

be

nz

en

e n

el

vap

ore

y

x = xD

y= xD

1

R+1* xDy =

R+1

R* x +

1

R+1* xDy =

Curva di equilibrio liquido/vapore

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Rette di lavoro zona di arricchimento

risulta comodo chiamare R rapporto di riflusso

R =

Così che l'equazione precedente diventa:

DISTILLAZIONE

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Rette di lavoro zona di esaurimento

L'

V'y = * x -

W

V'* xW

Le coppie di valori x, y si troveranno allineate sulla retta di lavoro della zona di esaurimento.

Il bilancio di materia: V' = L' - W

Nel componente più volatile: L' * xm-1

= V' * ym

+ W * xW

Dove L' e V' rappresentano le portate del liquido e del vapore nella zona di esaurimento.

Si ricava y:

DISTILLAZIONE

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Rette di lavoro zona di esaurimento

Eliminando V' :

Un punto di lavoro sarà sulla diagonale in corrispondenza di e si trova ponendo x = x

W

(x= xW

e y= xW

)

Mentre un secondo punto si trova utilizzando l‘equazione. 0,3 0,98

0,22

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Frazione molare benzene nel liquido x

Fra

zio

ne m

ola

re b

enzene n

el va

pore

y

x = xW

y= xW

L'-W

L'* x -

W

L'-W* xWy =

Curva di equilibrio liquido/vapore

DISTILLAZIONE

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Rette di lavoro zona di esaurimento

Un punto di lavoro sarà sulla diagonale in corrispondeza di e si trova ponendo x = x

W

(x= xW

e y= xW

)

Mentre un secondo punto si trova nella intersezione della retta di lavoro della zona di testa con la retta che si ricava considerando la zona di alimentazione

L'-W

L'* x -

W

L'-W* xWy =

Curva di equilibrio liquido/vapore

x = xW

y= xW

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

x = xD

x = zF

y= xD

DISTILLAZIONE

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Rette di lavoro zona di alimentazione

1Alimentazione entra nella colonna allo stato liquido e

a temperatura inferiore a quella di ebollizione

2 Alimentazione entra nella colonna allo stato liquido ma alla temperatura di inizio ebollizione

3 Alimentazione entra nella colonna in parte allo stato liquido e in parte allo stato di vapore

4 Alimentazione entra nella colonna tutta allo stato di vapore saturo

5 Alimentazione entra nella colonna allo stato di vapore surriscaldato a temperatura superiore a quella di ebollizione

DISTILLAZIONE

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Rette di lavoro zona di alimentazione

1 Alimentazione entra nella colonna allo stato liquido e a temperatura inferiore a quella di ebollizione

2 Alimentazione entra nella colonna allo stato liquido ma alla temperatura di inizio ebollizione

3 Alimentazione entra nella colonna in parte allo stato liquido e in parte allo stato di vapore

4 Alimentazione entra nella colonna tutta allo stato di vapore saturo

5 Alimentazione entra nella colonna allo stato di vapore surriscaldato a temperatura superiore a quella di ebollizione

L'

V

F TF

L

V'

L'

VF

TF

L

V'

L'

VF

TF

L

V'

L'

V

F TF

L

V'

L'

VF

TF

L

V'

DISTILLAZIONE

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Rette di lavoro zona di alimentazione

1 Alimentazione entra nella colonna allo stato liquido e

a temperatura inferiore a quella di ebollizione

2 Alimentazione entra nella colonna allo stato liquido ma alla temperatura di inizio ebollizione

3 Alimentazione entra nella colonna in parte allo stato liquido e in parte allo stato di vapore

4 Alimentazione entra nella colonna tutta allo stato di vapore saturo

5 Alimentazione entra nella colonna allo stato di vapore surriscaldato a temperatura superiore a quella di ebollizione

L'

V

F TF

L

V'

L'

VF

TF

L

V'

L'

VF

TF

L

V'

L'

V

F TF

L

V'

L'

VF

TF

L

V'

V' = V L' = L + F

V = V' + F L' = L

V' > V L' > L + F

V' <V< V'+FL+F > L' > L

V > V' + F L' < L

DISTILLAZIONE

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Rette di lavoro zona di alimentazione

Ad una determinata temperatura si possonofare i seguenti bilanci:

di materia:

di energia:

Dove gli indici n, n-1 e n+1 sono stati tolti perchè le relative entalpie specifiche (H) nel piatto ennesimo a T costante non cambiano.

F + L + V' = L' + V

F * ĤF + L * ĤL + V'* ĤV' = L' * ĤL' + V* ĤV

F , ĤF

TF

V , ĤVn L , ĤLn-1

L' , ĤL'nV' , ĤV'n+1

n

Ĥ Entalpia specificadel relativo flusso

DISTILLAZIONE

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Rette di lavoro zona di alimentazione

Da cui:

Dal bilancio di materia: (V' -V) = (L' - L) - F

F * ĤF + (V' - V) * ĤV = (L' – L) * ĤLF , ĤF

TF

V , ĤVn L , ĤLn-1

L' , ĤL'nV' , ĤV'n+1

n

q = fattore entalpicoo parametro “q”

F * ĤF + (L' - L) * ĤV - F * ĤV = (L' - L) * ĤL

F * (ĤF -ĤV) = (L' - L) * (ĤL -ĤV)

(ĤV - ĤF)

(ĤV - ĤL)q = -----------

(L' – L) (ĤV - ĤF)

(ĤV - ĤL)F --------- = -----------

L' = L + q * F

V = V' + (1 - q) * F

DISTILLAZIONE

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Rette di lavoro zona di alimentazione

Da cui si ottiene l'equazione della retta q:

q

q - 1y = -------- * x - -------- * zF

q - 1

1 q

q - 1m = ---------

- 1

q - 1p = --------- * zF

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

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

diagramma x/y

x

y

Sul diagramma x , y

Un punto notevole è sulla retta a 45° in corrispondenza della concentrazionedi alimentazione zF, yF; la pendenzadipende dal valore di q.

zF

yF

DISTILLAZIONE

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Rette di lavoro zona di alimentazione

Stato alimentazione q m=q/(q-1) Pendenza

1 Alimentazione entra nella colonna allo stato liquido e

a temperatura inferiore a quella di ebollizione

q > 1 1 < m < 45° < ang < 90°

2 Alimentazione entra nella colonna allo stato liquido ma alla temperatura di inizio ebollizione

q = 1 m = Ang = 90°

3 Alimentazione entra nella colonna in parte allo stato liquido e in parte allo stato di vapore

0 < q < 1 m < 0 90° < ang < 180°

4 Alimentazione entra nella colonna tutta allo stato di vapore saturo

q = 0 m = 0 Ang = 180°

5 Alimentazione entra nella colonna allo stato di vapore surriscaldato a temperatura superiore a quella di ebollizione

q < 0 0< m < 1 180° < ang < 225°

88

DISTILLAZIONE

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

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

diagramma x/y

x

y

zF

yF

12

3

4

5

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

Rette di lavoro zona di alimentazione

Stato alimentazione q

1 Alimentazione entra nella colonna allo stato liquido e a temperatura inferiore a quella di ebollizione

q > 1

2 Alimentazione entra nella colonna allo stato liquido ma alla temperatura di inizio ebollizione

q = 1

3 Alimentazione entra nella colonna in parte allo stato liquido e in parte allo stato di vapore

q > 0 q < 1

4 Alimentazione entra nella colonna tutta allo stato di vapore saturo

q = 0

5 Alimentazione entra nella colonna allo stato di vapore surriscaldato a temperatura superiore a quella di ebollizione

q < 0

DISTILLAZIONE

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

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

diagramma x/y

x

y

zF

yF

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

A questo punto si può procedere per trovare il numero di piatti teorico.

Sul diagramma x , y si disegnano nell'ordine

1) la retta q con i dati dell'alimentazione

zF, yF; m = q/(q-1) e p = -zF/(q-1)

p = -zF/(q-1)

DISTILLAZIONE

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

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

diagramma x/y

x

y

zF

yF

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

A questo punto si può procedere per trovare il numero di piatti teorico.

Sul diagramma x , y si disegnano nell'ordine

1) la retta q con i dati dell'alimentazione

zF, yF; m = q/(q-1) e p = -zF/(q-1)

2) La retta zona di arricchimento

xD, yD e x = 0, y=xD/(R+1)

p = -zF/(q-1)

xD

yD

y=xD/(R+1)

DISTILLAZIONE

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

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

diagramma x/y

x

y

zF

yF

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DEI PIATTI

A questo punto si può procedere per trovare il numero di piatti teorico.

Sul diagramma x , y si disegnano nell'ordine

1) la retta q con i dati dell'alimentazione

zF, yF; m = q/(q-1) e p = -zF/(q-1)

2) La retta zona di arricchimento

xD, yD e x = 0, y=xD/(R+1)

3) La retta zona di esaurimento

xW, yW e il punto di intersezione delle due rette precedenti

p = -zF/(q-1)

xD

yD

yW

xW

y=xD/(R+1)

DISTILLAZIONE

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

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

diagramma x/y

x

y

zF

yF

DETERMINAZIONE GRAFICA DEL NUMERO DEI PIATTI

A questo punto si può procedere per trovare il numero di piatti teorico.

Sul diagramma x , y si disegnano nell'ordine

1) la retta q con i dati dell'alimentazione

zF, yF; m = q/(q-1) e p = -zF/(q-1)

2) La retta zona di arricchimento

xD, yD e x = 0, y=xD/(R+1)

3) La retta zona di esaurimento

xW, yW e il punto di intersezione delle due rette precedenti

4) Si tracciano a partire da destra i segmenti orrizzontali e verticali tra la rette e la curva di equilibrio (COSTRUZIONE A GRADINI)

p = -zF/(q-1)

xD

yD

yW

xW

y=xD/(R+1)

DISTILLAZIONE

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

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

diagramma x/y

x

y

y=xD

x=xD

y=xw

x=xw

y=zF

x=zF

y=xD /(R+1)