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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)