DISTILLAZIONE FLASH

Indice

3.1 Introduzione

La distillazione è un processo usato per separare una miscela in componenti più puri possibile. La tecnica si basa sulla differenza di volatilità dei componenti di una miscela liquida e utilizza l'evaporazione e la condensazione per separarli. 

Il processo avviene in due fasi: la prima è l'evaporazione, in cui la miscela viene riscaldata e portata a ebollizione all'interno di un recipiente. I componenti più volatili si vaporizzano prima e salgono verso la parte superiore del recipiente, mentre i componenti meno volatili restano nel liquido. La seconda fase è la condensazione, in cui i vapori vengono raffreddati e riportati allo stato liquido, separando così i componenti della miscela in base alla loro volatilità. 

Può essere effettuato in modo continuo o batch, e viene utilizzato in una vasta gamma di applicazioni industriali, tra cui la produzione di carburanti, la purificazione di sostanze chimiche e farmaceutiche e la produzione di bevande alcoliche. 

Un problema di separazione viene definito quando, partendo da un'alimentazione con un flusso noto F e una composizione zi, si fissano le specifiche del prodotto desiderato, come la quantità di flusso, la purezza del prodotto e il recupero di uno dei componenti.

La distillazione flash è il metodo più semplice di separazione. Un flusso di alimentazione viene "flashato" in una camera o "flash drum". Il liquido e il vapore vengono lasciati separare sotto l'equilibrio. Un piatto, volatilità molto diverse, alimentazione parzialmente vaporizzata. Il componente più volatile sarà concentrato nello stream di vapore, mentre il meno volatile nello stream liquido. Il sistema è molto vicino ad un singolo "stadio di equilibrio". La separazione di solito non è molto alta. 

Viene "flashato" tramite la strozzatura del flusso di alimentazione attraverso un ugello o una valvola nella camera.

• La pressione diminuisce attraverso la valvola.

• La pressione del tamburo deve essere inferiore alla pressione critica per la miscela.

3.2 Gradi di libertà, bilanci di materia ed energia

Variabili intensive: Temperatura, Pressione, concentrazione, …

Variabili estensive: flusso di massa, flusso di energia, …

Variabili iterative: numero di stadi in una colonna di distillazione

𝑁𝑖= 𝑁𝑣 − 𝑁𝑏 

𝑁𝑖>0: "il problema è sottospecificato e altre variabili devono essere specificate per determinare le variabili rimanenti"

𝑁𝑖=0: il problema può essere risolto

𝑁𝑖<0: il problema è sovradeterminato con relazioni ridondanti e possibilmente inconsistenti

Variabili indipendenti: (NC+2) + 2 (NC+2) + 1 = (3 NC+7)     Flusso L+V, calore Q del feed

Equazioni indipendenti: NC bilanci di massa + 1 bilancio di energia + NC relazioni di equilibrio + 2 (TL=TV e PL=PV) = 2 NC+3

Gradi di libertà (Variabili operative): OV = (3 NC+7) – (2 NC+3) = NC+4... ma nelle condizioni normali il feed è specificato (NC+2) variabili vengono sottratte ai gradi di libertà

Il processo di flash ha 2 gradi di libertà, ovvero variabili operative:

• Di solito pressione del flash (PF) e calore (Q).

• La temperatura e le composizioni del flash non sono utilizzate come variabili operative poiché non sono facili da controllare.

Bilanci di materia

L'equazione di bilancio generale è:  Input + Generazione - Output - Consumo = Accumulazione

Questa equazione è valida per i processi Batch, Continui e Semi-batch. La procedura per risolvere un singolo processo è:

1. Definire la base del processo

2. Disegnare il diagramma di flusso e scrivere tutte le variabili con le stesse unità di misura

3. Eseguire l'analisi del grado di libertà

4. Scrivere le equazioni e risolvere il sistema

5. Calcolare le quantità richieste

I bilanci vengono fatti anche su processi a più unità, ad esempio per il riciclo o il bypass, e su processi reattivi, utilizzando specie molecolari o atomiche e l'estensione di reazione. Il bilancio può essere fatto su sistemi a singola fase o a più fasi.

Bilanci di energia

3.3 Proprietà fisiche

Processo di flash nel diagramma entalpia-composizione - Flash process in enthalpy composition diagram 

Distillazione Flash

Le relazioni di equilibrio che abbiamo utilizzato possono essere applicate ai problemi di distillazione flash. I dati di equilibrio o una relazione di equilibrio valida devono essere disponibili alla pressione del tamburo di flash. Più la linea di equilibrio si discosta dalla diagonale maggiore è la separazione che si ottiene. 

Tasso equilibrio e volatilità relativa

1. Il rapporto di equilibrio (fattore di capacità): ki= yi/xi

2. La volatilità relativa (selettività) --> dipende dalla composizione, non è costante: alfa= ki/kj

3. Per un sistema binario

Sistemi binari: equazione di Brown

Tipi di calcolo dell'equilibrio liquido-vapore:

I problemi di distillazione flash possono essere risolti utilizzando tre insiemi di equazioni: Relazione di equilibrio, Bilancio di massa e Bilancio di energia.

Le relazioni di equilibrio che abbiamo usato possono essere applicate ai problemi di distillazione flash. I dati di equilibrio o una relazione di equilibrio valida devono essere disponibili alla pressione del tamburo di flash. 

3.4 Diagrammi e processi: 

Sistemi binari: diagramma di McCabe-Thiele

Binary systems: McCabe-Thiele Analysis 

E' una tecnica di progettazione di colonne di distillazione utilizzata per determinare il numero di piatti teorici richiesti per separare due componenti miscibili. La retta di carico è una curva che rappresenta la concentrazione di una componente in fase liquida in funzione della sua concentrazione in fase vapore, durante la distillazione. 

1. Si determina la composizione della miscela da separare e la temperatura di ebollizione di ogni componente. 

2. Poi viene tracciata la curva di equilibrio, che rappresenta la relazione tra la concentrazione di ogni componente nella fase vapore e la sua concentrazione nella fase liquida a una data temperatura.

3. Infine si costruisce la retta di carico, che rappresenta la quantità di liquido che viene condensata per ogni quantità di vapore che risale la colonna.

Ciò che è dato nel problema determina il tipo di problema e il metodo di soluzione.

• Di solito verrà dato: il flusso di alimentazione, F, o si può presumere. la composizione del feed, z, in frazione molare o in peso. In genere sarà noto anche uno dei seguenti: x, y, Td, f = V/F, q = L/F, L/V o TF.

• Di solito ne verrà dato uno, la pressione, Pd, nel flash drum, oppure sarà scelto in modo tale che l'alimentazione sia al di sopra del suo punto di ebollizione a Td, quindi che parte di esso vaporizzi.

• Se si fissano PD e Q (e di conseguenza f): Le composizioni x e y sono calcolate se VLE è noto e la T di flash è calcolata come bubble T del liquido fuoriuscito dal flash

• Se fisso PD e TD: Le composizioni x e y sono calcolate se VLE è noto, e f e Q sono calcolati dalla pendenza della retta di alimentazione

• Poiché è difficile controllare T, le variabili operative lo sono di solito PD e Q: Temperatura, composizioni e liquido e la portata del vapore sono calcolate

Distillazione a flash - Tipo di problema 1a: Soluzione sequenziale. 

Se una delle condizioni di equilibrio (x, y o Td) nel tamburo è specificata, le altre due possono essere determinate utilizzando le relazioni di equilibrio tramite: dati e grafici di equilibrio oppure valori K o relazioni di volatilità relativa. 

Con x e y possiamo risolvere i flussi (F, V e L) utilizzando: bilancio di massa globale e bilancio di massa dei componenti. Quindi possiamo risolvere i bilanci energetici per determinare QH, TF e T1 (Qflash = 0 perché generalmente assumiamo un tamburo adiabatico) utilizzando gli entalpia da: capacità termiche e calore latente di vaporizzazione oppure grafici entalpia-composizione. 

Questo metodo di soluzione è noto come metodo di soluzione sequenziale in quanto il bilancio energetico è scollegato dal bilancio di equilibrio e dal bilancio di massa. 

Se i parametri dello stream sono specificati, di solito come frazione del vapore alimentato/ frazione carica vaporizzata (f = V / F) o come frazione dell'alimentazione che rimane liquida (q = L / F), allora il problema può essere risolto per x, y, Td, F, V e L mediante una soluzione simultanea che utilizza: Relazioni di equilibrio e Bilanci di massa. Possiamo quindi risolvere i bilanci energetici per determinare QH, TF e T1 utilizzando entalpie da: Calori specifici e calori latenti di vaporizzazione o Grafici di entalpia-composizione. Questo metodo di soluzione è anche noto come metodo di soluzione sequenziale poiché il bilancio energetico è ancora disaccoppiato dal bilancio di equilibrio e dal bilancio di massa. 

Distillazione flash - Tipo di problema 2: Soluzione simultanea 

Se la temperatura, TF, del fluido di alimentazione è nota, il problema richiede una soluzione simultanea per tutti gli altri parametri utilizzando: Relazione di equilibrio e Bilancio di massa e Bilancio energetico. Questo metodo di soluzione è noto come metodo di soluzione simultanea poiché il bilancio energetico non è scollegato dall'equilibrio e dai bilanci di massa. 

Distillazione a Flash - Pressioni

La pressione, Pd, nel tamburo di flash viene scelta in modo che l'alimentazione sia al di sopra del suo punto di ebollizione a Td, in modo che una parte di essa si vaporizzi. La pressione, P1, viene scelta in modo che l'alimentazione a monte sia al di sotto del suo punto di ebollizione e rimanga liquida a T1. Allo stesso modo, la pressione dell'alimentazione, PF, deve essere scelta in modo che l'alimentazione sia al di sotto del suo punto di ebollizione e rimanga liquida. La pompa e il riscaldatore aiutano ad adeguare le pressioni e le temperature richieste del sistema. Se l'alimentazione è già sufficientemente calda, potrebbe non essere necessario il riscaldatore e se la pressione del tamburo di flash è abbastanza bassa, potrebbe non essere necessaria la pompa.

Distillazione a Flash Multi-componente: equazione di Rachford-Rice

Si procede in modo simile a quello per la distillazione binaria. Una differenza consiste nel fatto che normalmente non è possibile risolvere i sistemi multicomponente graficamente e sarà necessario utilizzare metodi numerici. Un'altra differenza è che solitamente esprimiamo l'equazione di equilibrio utilizzando i valori K.

Quante incognite? 

Supponiamo di avere 10 componenti: con F, zi per C-1 componenti, Pd e Td o uno dei xi o yi specificati (un problema di tipo 1a), possiamo risolvere prima l'equilibrio e i bilanci di massa e poi il bilancio energetico (una soluzione sequenziale). Tuttavia, dobbiamo ancora determinare 10 K, 10 x, 10 y, 1 L e 1 V, quindi 32 variabili!

Quante equazioni? 32 equazioni per il bilancio di massa:

• Relazione di equilibrio (10 + 10 eq.): 𝑦𝑖 = 𝐾𝑖*𝑥𝑖 e 𝐾𝑖 = 𝐾𝑖(𝑥medio, 𝑦, 𝑃, 𝑇)

• Relazioni stechiometriche (2 eq.): σ x𝑖=1 σ y𝑖=1

• Equazioni di bilancio di massa (10 eq.): 𝐹 = 𝑉+L e 𝐹𝑧𝑖 = 𝑉𝑦𝑖 + 𝐿𝑥i

• Bilancio energetico: 𝐹ℎ𝐹 + 𝑄𝑓𝑙𝑎𝑠ℎ − 𝐿ℎ𝐿 − 𝑉𝐻 = 0

Come possiamo gestirlo facilmente? 

Potremmo definire tutte le 32 equazioni e risolverle simultaneamente. Questo potrebbe essere possibile o meno a seconda della presenza di un gran numero di equazioni simultanee e di problemi di convergenza nella soluzione numerica. Come possiamo aiutare la convergenza? Un metodo consiste nella soluzione parziale del set di equazioni per un parametro che ha un intervallo strettamente limitato, vale a dire la frazione di evaporazione del materiale in ingresso (f = V/F), che varia tra 0 e 1. 

Combinando la relazione di equilibrio e i bilanci di massa

Sostituendo la relazione di equilibrio per yi nei bilanci di massa dei singoli componenti, si ottiene:

Fz𝑖 = Lx𝑖 + VK𝑖x𝑖 𝑖 = 1, 2, . . . , C

Sostituendo il bilancio di massa complessivo per L nell'equazione precedente e risolvendo per xi e dividendo poi tutto per F/F si ottiene:

x𝑖 = z𝑖 /{1 + (K𝑖−1) V/F}

Da yi = Ki*xi si ottiene anche:

y𝑖 = ki*z𝑖 /{1 + (K𝑖−1) V/F}

Sostituendo nelle relazioni fra le frazioni molari (∑ x=1) si trova:

Sottraendo le due precedenti equazioni si arriva:

Si ottiene quindi l'equazione di Rachford-Rice.

• Ha ottime proprietà di conversione per l'uso in soluzioni numeriche di distillazione a flash a componenti multipli

• La convergenza di Newton Raphson è veloce (vedi analisi numerica)

Bilanci energetici

Una volta risolta l'equazione di Rachford-Rice e determinate tutte le frazioni molari del vapore e del liquido, è possibile risolvere i bilanci energetici corrispondenti. Per soluzioni ideali, gli entalpie possono essere determinati dalla somma degli entalpie dei singoli componenti moltiplicati per le rispettive frazioni molari, quindi il bilancio energetico può essere calcolato. 

Flash a 3 fasi

2 fasi liquide e 1 fase di vapore. Esempio: separazione primaria di organici leggeri, organici pesanti e acqua

• gradi di libertà: D.O.F. = g.d.l. = numero di flussi - numero di interfacce (versione semplificata) 

• Numero di flussi = 4 

• Numero di interfacce = 2 

• Quindi g.d.l.= 4 - 2 = 2--> Le specifiche tipiche di controllo sarebbero la portata del feed/carica e la pressione.

Bilanci di materia attorno al serbatoio flash: 

• F = LA + LB + V 

• Fzi = LAxAi + LBxBi + Vyi

Relazioni di equilibrio di ciascuna fase KAi e KBi. Seguendo la stessa procedura utilizzata per l'equazione di Rachford-Rice, si ottiene: 

3.5 Dimensionamento del flash

Una volta note le composizioni di vapore e liquido e i tassi di flusso, è possibile dimensionare il flash.

• Possono essere verticali o orizzontali

• Il calcolo del diametro si basa sui fenomeni idrodinamici

• La variabile principale è la massima velocità del vapore: nei tamburi senza demister viene impostata per evitare l'inondazione di liquido nel flusso di uscita del vapore

• L'approccio è empirico, basato su dati sperimentali di diversi sistemi in diverse condizioni: i parametri chiave sono Kdrum, la velocità del vapore e il flusso Fl,v

Dimensioni da decidere: D, hv, hl, hf

• D è correlato alla velocità del vapore

• hv è correlato alla velocità del vapore

• hl è correlato al controllo del livello

• hf è correlato all'inondazione

D è correlato alla velocità del vapore

Passo 1: calcolare la velocità consentita (per evitare allagamenti). Kdrum può essere calcolato dal grafico o dall'equazione. Non è adimensionale, ma in ft/s. Bilancio tra forza di gravità forza viscosa e forza di resistenza.

Cosa succede con CD?

Analisi dimensionale per la resistenza: la forza dipende dalla velocità, dall'area trasversale, dalla densità e dalla viscosità. 

CD è una funzione del numero di Reynolds della particella. La dinamica dei fluidi nel tamburo dovrebbe evitare l'entrainment del liquido

• condizione che al massimo il 5% del liquido viene entrainato

• Quindi otteniamo (adattando i dati sperimentali): 

K= 𝑒 (𝐴+𝐵𝑙𝑛𝐹𝑙,𝑣+𝐶 𝑙𝑛𝐹𝑙,𝑣 2 +𝐷 𝑙𝑛𝐹𝑙,𝑣 3 +𝐸 𝑙𝑛𝐹𝑙,𝑣 4 ) 

Utilizzando il tasso di vapore noto V(lbmol/h), convertire vperm in un'area orizzontale

• Il demister dovrebbe occuparsi del 4% (o meno) del 5%.

Dimensioni:

• La profondità del pozzetto del liquido è definita dall'esperienza del colpo di liquido grazie

• ℎ𝑣 = 36 "+ 1/2 𝐷 - minimo 48”

• 36" è lo spazio per il demister

• ℎ𝑓 = 12 "+ 1/2 𝐷

• ℎ𝐿 =𝑉𝑠𝑢𝑟𝑔𝑒𝜋𝐷2/4 dove Vsurge è il volume desiderato di colpo di liquido

Infine H totale è: 𝐻 = ℎ𝑣 + ℎ𝑓 + ℎ𝐿 dovrebbe essere 3 < H/D < 5

Se H/D < 3 utilizzare un volume di colpo di liquido più grande

Se H/D > 5 (grandi portate) utilizzare un tamburo orizzontale

• Il tamburo orizzontale ha un protocollo di progettazione diverso

• I tamburi orizzontali sono particolarmente utili quando sono necessarie grandi capacità di colpo di liquido

• Utilizzo di un tamburo di flash esistente verificare che: 𝑉𝑉 ≤ 𝑢𝑉,max𝐴,     𝐴 = 𝜋𝐷^2/4 

N.B: utilizzare un fattore di sicurezza del 0,85 rispetto alla velocità calcolata 

Continua con la distillazione a stadi...