DISTILLAZIONE A STADI

La distillazione è il metodo usato per separare una miscela nei suoi componenti. E’ basata sulla diversa volatilità dei componenti delle miscele liquide e utilizza due passaggi di stato: l’evaporazione e la condensazione. Il primo inizia nel recipiente in cui la miscela bolle; il secondo interessa i vapori che vengono condensati.

E' importante e compone il 90-95% delle separazioni nell'industria chimica, circa 40.000 colonne di distillazione operano in tutto il mondo, consumano il 40% dell'energia utilizzata nell'industria di processo degli Stati Uniti ed equivalente a 1,2 milioni di barili di petrolio grezzo al giorno.

La distillazione è un processo ampiamente utilizzato in molte industrie, tra cui la petrolchimica, la farmaceutica, l'alimentare e delle bevande, e molte altre. Spesso viene utilizzata per separare diversi componenti di una miscela, come ad esempio separare il petrolio grezzo in varie frazioni o purificare sostanze chimiche. Il processo di distillazione può variare a seconda dell'applicazione specifica, ma i principi fondamentali rimangono gli stessi. In genere, la miscela viene riscaldata in un recipiente fino a farla bollire, generando un vapore che contiene i componenti più volatili della miscela. Il vapore viene quindi raccolto e raffreddato, facendolo condensare di nuovo in un liquido, che può quindi essere raccolto e separato nei suoi componenti individuali.

Un aspetto importante della distillazione è la scelta dell'attrezzatura appropriata da utilizzare per l'applicazione specifica. Ci sono molti tipi di attrezzature di distillazione, tra cui alambicchi a lotto, alambicchi continui e alambicchi a riflusso, e ognuno ha i propri vantaggi e svantaggi a seconda del risultato desiderato del processo. Oltre alla sua importanza nei processi industriali, la distillazione ha anche molte altre applicazioni. Ad esempio, viene comunemente utilizzata nella produzione di bevande alcoliche per separare l'alcol da altri componenti della miscela, ed è anche utilizzata in ambienti di laboratorio per la purificazione di sostanze chimiche.

PARTE A

Quando la distillazione flash non fornisce una quantità sufficiente di separazione, si possono utilizzare diverse strategie per ottenere componenti essenzialmente puri. Una possibile soluzione è quella di utilizzare una cascata di tamburi flash in serie, in cui i vapori di un tamburo flash vengono alimentati al successivo per ottenere una maggiore separazione. Tuttavia, questo approccio può generare un gran numero di flussi intermedi di liquido e vapore che devono essere ulteriormente separati.

Per risolvere questo problema, si potrebbe alimentare questi flussi intermedi a un'altra cascata di tamburi flash, ma ciò potrebbe ancora generare più flussi intermedi che devono essere gestiti. Una possibile soluzione è utilizzare un processo di distillazione a piatti, che prevede l'utilizzo di una colonna di distillazione con numerosi piatti che consentono la separazione dei componenti in modo più accurato. In questo modo, si possono ottenere componenti essenzialmente puri senza dover gestire un gran numero di flussi intermedi.

Il calore viene fornito solo dal basso e prelevato solo dall'alto. Tutte le altre condensazioni/vaporizzazioni sono per contatti interni diretti

Variabili tipiche specificate

• • Pressione della colonna, Pc, Flusso di alimentazione, F, Composizione dell'alimentazione, z, Temperatura di alimentazione, TF; entalpia, hF; o q = L/F.

  • Temperatura di riflusso, TR; o entalpia, hD, Rapporto di riflusso, L/D; o composizione del distillato, xD, Composizione del fondo, xB.

Strumenti per la soluzione

• Relazioni di equilibrio, Bilanci di massa, Bilanci energetici.

Metodi di soluzione

• Bilanci esterni della colonna: Globale, Condensatore e Reboiler

• Bilanci interni della colonna: Calcoli stadio per stadio. 

Bilancio termico allo stadio j

• Si presume che gli stadi siano adiabatici

• Il liquido viene vaporizzato dalla condensazione del vapore che bolle attraverso di esso

Partendo dal bilancio energetico attorno allo stadio j è possibile dimostrare che i flussi di liquido e vapore sono costanti attraverso gli stadi. Entalpie liquido variano poco, varia molto quella del vapore. Se il liquido potesse essere considerato indipendente dalla composizione, ciò è normalmente valido sulla base molare (non sulla base di massa) - regola di Trouton 

Con una miscelazione perfetta e un tempo di residenza del vapore e del liquido sufficientemente lungo, possiamo assumere che le correnti in uscita dallo stadio siano in equilibrio (ipotesi di stadio ideale).  𝑦𝑗 = 𝐾1*𝑥𝑗   e   1−𝑦𝑗=𝐾2(1 − 𝑥𝑗)

L'ipotesi di stadio ideale implica un trasferimento di massa perfetto all'interno dello stadio. In realtà gli stadi non sono ideali a causa delle limitazioni del trasferimento di massa. 

Bilanci esterni della colonna

Bilancio energetico: hF (z, TF, p),  hD (xD, Treflusso, p), hB (xB, liquido saturo, p). Può essere calcolato dai diagrammi di composizione dell'entalpia (o dalle correlazioni): FhF + QC + QR = DhD + BhB 

Equazione del bilancio energetico: 2 incognite (QR e Qc). È necessaria un'altra equazione → che deriva dalla condizione del condensatore.

Condizioni del condensatore

Parziale – solo una parte della corrente di vapore in ingresso, V1, viene condensata. Abbiamo sia correnti di vapore che di liquido in condizioni di saturazione. D è preso come vapore saturo e il riflusso liquido, Lo, viene restituito alla colonna come liquido saturo. Entrambi devono essere in condizioni di saturazione poiché abbiamo l'equilibrio - infatti il condensatore parziale è uno stadio di equilibrio aggiuntivo (ricordarselo per i calcoli in Aspen). 

Totale - tutta la corrente di vapore in ingresso, V1 , viene condensata in liquido. Dividiamo quindi l'uscita del liquido risultante in una corrente di distillato, D, e il riflusso Lo , che viene restituito alla colonna.

Condensatore totale

La frazione molare, y1, della corrente di vapore dalla parte superiore della colonna è uguale alle frazioni molari, xD e xo, delle correnti liquide!

y1 = xD = xo

La condizione dell'uscita del condensatore deve essere specificata come liquido saturo o liquido sotto-raffreddato per poter utilizzare il bilancio energetico. Lo stato del liquido determina il carico termico del condensatore. 

Condizioni del riempitore di fondo (reboiler)

Parziale – solo una parte della corrente liquida in ingresso, L, viene vaporizzata. Abbiamo sia correnti di vapore che di liquido in uscita dal riempitore di fondo in condizioni di saturazione. B è preso come liquido saturo e il vapore di sottoraffreddamento, Vn+1, viene restituito alla colonna come vapore saturo. Entrambe le correnti devono essere in condizioni di saturazione poiché abbiamo l'equilibrio nel riempitore di fondo - infatti il riempitore di fondo parziale è uno stadio di equilibrio aggiuntivo.

Totale - la corrente di liquido in ingresso, L, viene divisa per ottenere la corrente di fondo, B, come liquido saturo. Quindi vaporizziamo tutto il liquido rimanente e lo restituiamo alla colonna come corrente di vapore, V. 

Nota importante per il riempitore di fondo totale: la frazione molare, xN, della corrente liquida dalla parte inferiore della colonna è uguale alla frazione molare, xB, della corrente liquida di fondo e quella alimentata al riempitore di fondo parziale!

xB = xN

La condizione dell'uscita del riempitore di fondo deve essere specificata come un vapore saturo o un vapore surriscaldato per poter utilizzare il bilancio energetico. Lo stato del vapore determina il carico termico del riempitore di fondo. 

PARTE B

Bilanci interni di stadio in stadio

Bilanci stadio per stadio a partire dalla parte superiore

Utilizzando l'output del primo bilancio come input per il secondo bilancio ... e così via. La procedura presuppone che ogni stadio sia in equilibrio (ma gli stadi non in equilibrio possono comunque essere gestiti)

Sono sviluppate diverse equazioni per le sezioni di arricchimento e di stripping della colonna. 

• L/V < 1 nella sezione di arricchimento (V > L)

• L/V > 1 nella sezione di stripping (L > V)

Sezione di arricchimento e condensatore totale - Enriching Section and total Condenser 

Sezione di strippaggio e ribollitore parziale - Stripping Section and Partial Reboiler

I precedenti bilanci di massa ed energia si applicano solo alla sezione di arricchimento. Ad un certo punto lungo la colonna, avremo un'alimentazione per una delle fasi di equilibrio - la fase di alimentazione. In questa fase di alimentazione, la sezione di arricchimento della colonna termina.

Nella fase di alimentazione abbiamo l'introduzione di liquido e/o vapore aggiuntivo a seconda della natura del flusso di alimentazione.

• Il liquido dal flusso di alimentazione fluirà lungo la colonna e il vapore dal flusso di alimentazione si eleverà lungo la colonna.

• Di conseguenza, il rapporto di vapore a liquido nella sezione di arricchimento sopra la fase di alimentazione è generalmente diverso rispetto a quello nella sezione di stripping sotto la fase di alimentazione a causa dell'alimentazione tra queste due sezioni. 

Mentre abbiamo designato i flussi di vapore e liquido nella sezione di arricchimento come L e V, designiamo i flussi di vapore e liquido nella sezione di stripping usando una "sottolineatura" o V e L per delinearli da quelli nella sezione di arricchimento.

• L / V <1 nella sezione di arricchimento.

• Al contrario, L / V> 1 nella sezione di stripping.

Analizziamo i bilanci di massa ed energia per la sezione di stripping della colonna con un reboiler parziale. 

Sorel and Ponchon-Savarit methods of solution 

La sfida per qualsiasi metodo di soluzione stage-by-stage consiste nel risolvere simultaneamente in modo efficiente le tre equazioni di bilancio e le tre relazioni di equilibrio. Questo problema è stato risolto per la prima volta da Sorel (1893) e le soluzioni grafiche del metodo di Sorel sono state sviluppate indipendentemente da Ponchon (1921) e Savarit (1922). 

fino agli anni '70:

• • procedure di progettazione semplificate, parzialmente grafiche, per colonne a piatti che separano miscele binarie: Ponchon-Savarit (1921/22), McCabe-Thiele (1925)

  • metodi di calcolo approssimati per la soluzione di problemi di separazione multicomponente e multistadio (shortcut methods): Fenske (1932), Gilliland (1940), Underwood (1946) progettazione di colonne riempite basata sui concetti NTU/HTU: Chilton, Colburn (1935)

oggi:

• • complessi metodi matematici a matrice consentono di trovare soluzioni esatte di sistemi di equazioni non lineari: Wang-Henke (1966), Naphtali-Sandholm (1971)

  • software commerciale di simulazione di processo che consente calcoli di progettazione e valutazione di colonne a piatti e riempite in condizioni di stato stazionario o non  (ASPEN, CHEMCAD) 

Metodo di Lewis: overflow molale costante

Lewis (1922) ha notato che in molti casi i flussi molari di vapor e liquido in ciascuna sezione (una regione tra i porti di ingresso e uscita) erano costanti (costant molar overflow). Collegato al bilancio energetico per una sezione di equilibrio e all'entalpia di vaporizzazione quasi costante.

Per la sezione di arricchimento:

L1=L2=…=Ln=L

V1=V2=…=Vn=V

E lo stesso per la sezione di stripping. Per ogni ulteriore sezione della colonna ci saranno un altro insieme di equazioni per i flussi costanti. Valido se ogni volta che una mole di vapore viene condensata una mole di liquido viene vaporizzata.

Ciò accadrà se:

1. La colonna è adiabatica.

2. I cambiamenti di calore specifico sono piccoli rispetto ai cambiamenti di calore latente.

Il calore di vaporizzazione per molecola, λ, è costante; ovvero, λ non dipende dalla concentrazione.

3.  La condizione 3 è il criterio più importante. Lewis chiamò questo insieme di condizioni "sorpasso costante in moli" (CMO). Molale: m = moli di soluto / chilogrammi di solvente.

4. Un'alternativa alle condizioni 2 e 3 è che le linee di liquido saturo e di vapore su un diagramma entalpia-composizione (in unità molari) siano parallele.

Per alcuni sistemi, come gli idrocarburi, il calore latente di vaporizzazione per kg è approssimativamente costante.

• • Quindi i flussi di massa sono costanti, e dovrebbe essere usato il metodo di flusso di massa costante.

  • Il metodo di Lewis assume che CMO sia valido → i bilanci energetici saranno automaticamente soddisfatti. 

Questa è l'equazione operativa nella sezione di arricchimento (che rappresenta il bilancio di massa) con una pendenza di L/V e un'intercetta sull'asse y di (1-L/V)xD.

Le equazioni possono essere risolte iterativamente a partire dai bilanci di colonna per calcolare D e B, quindi L0 e V1 e x1 da y1 (= xD) e poi utilizzando l'equazione sopra per proseguire lungo la colonna. Parto dal punto D e prendo la retta L/V.

Analogo nella sezione di strippaggio:

La fase e la temperatura dell'alimentazione influenzano ovviamente i flussi di vapore e liquido nella colonna.

Bilanci di massa ed energia intorno all'alimentazione:

𝐹 + 𝑉 + 𝐿 = 𝐿 + 𝑉

𝐹ℎ𝑓 + 𝑉𝐻𝑓+1 + 𝐿ℎ𝑓+1 = 𝐿ℎ𝑓 + 𝑉𝐻𝑓

Se assumiamo CMO, gli entalpie non variano molto, quindi Hf+1≈Hf e hf-1≈hf. Pertanto:

𝐹ℎ𝑓 + 𝑉 − 𝑉 𝐻 − (𝐿 − 𝐿)ℎ = 0

Combinando con il bilancio di massa e definendo q come:

𝑞 = (𝐿 − 𝐿)/𝐹 ≈ 𝐻 − ℎ𝑓 / 𝐻 − ℎ 

Combinando le equazioni di bilancio di massa ed energia con la definizione di q si ottiene:

La qualità, q, è la frazione del feed che è liquido.

• Questo è analogo al q che abbiamo visto definito per la distillazione flash.

• Assumiamo che il feed sia lampeggiato adiabaticamente alla pressione della colonna!

PARTE C - Metodo McCabe Thiele 

Clicca qui 

SINTESI

FLASH: Un piatto, volatilità molto diverse, alimentazione parzialmente vaporizzata.

DISTILLAZIONE FRAZIONATA: si usa per separare i vari componenti del petrolio. Il petrolio è un liquido scuro formato da un miscuglio di idrocarburi (composti cioè di idrogeno e carbonio) che viene estratto dal sottosuolo. Una volta in raffineria, il petrolio viene sottoposto al processo di distillazione frazionata, cioè viene riscaldato a temperature che arrivano fino a 400° C e oltre. Man mano che la temperatura sale, si ha l’evaporazione di alcuni dei componenti, che vengono poi recuperati e ricondensati separatamente.

DISTILLAZIONE ESTRATTIVA: Se ho 2 componenti con tensione di vapore molto vicine, DTeb<< (richiesto un uso di molti piatti o riflussi molto elevati) si usa aggiungere un terzo componente che innalza la volatilità relativa delle 2 sostanze tramite la formazioni con una sostanza di interazioni più forti, rendendo attuabile la distillazione; C esce di coda. Caratteristiche sost.C = selettiva, bassa volatilità, facilmente recuperabile, inalterabile, poco costosa, che modifica la tensione di vapore di uno dei componenti; acetone/metanolo + butanolo o isottano toluene e fenolo.

DISTILLAZIONE AZEOTROPICA CON COMPONENTE AUSILIARIO: l’aggiunta di componente ausiliario C, volatile, stabile chimicamente, altera la volatilità dei componenti, forma un azeotropo di minimo, che condensa in testa in 2 azeotropi ternari immiscibili, uno più ricco del componente leggero A, riciclato nella prima colonna, uno del componente pesante B, riciclato nella seconda colonna. Condensando l’azeotropo formatosi si deve separare in due fasi, sotto curva nel diagramma ternario.

Acqua/alcool etilico + benzene

MISCELE AZEOTROPICHE: azeotropi= miscele che bollono inalterate, danno vapori con stessa composizione dei liquidi.

DISTILLAZIONE IN CORRENTE DI VAPORE: è un processo di distillazione utilizzata nel caso di sostanze termolabili, cioè che si degradano a temperature prossime al loro punto di ebollizione, come ad esempio i composti aromatici naturali. L'aggiunta di acqua o vapore d'acqua all'interno della colonna di distillazione abbassa il punto di ebollizione delle sostanze, permettendone la separazione per distillazione. Questo perché non interagendo si comportano come se fossero da sole e quindi si va a sommare le parziali pressioni e non si applica la legge di Rault. Se la sola aggiunta di acqua non è sufficiente ad abbassare abbastanza il punto di ebollizione, si opera sottovuoto.

Diagramma di Hausbrandt: consente di determinare la Teb di una miscela di un comp. org e acqua e la tensione di vapore del composto ad una determinata T.

DISCONTINUA, IN BATCH: per piccole quantità o alimentazione varia nel tempo. Stadio singolo, o multiplo a R costante (Xd variabile, con tempo si concentra di altobollente e aumenta Teb) o R variabile (Xd costante)

Efficienza: tramite tabelle Nid/ Nreali o Murphree yn-yn+1/xid-xn+1

METODO DI MCCABE E THIELE per determinare graficamente il numero di stadi di equilibrio prevede che le portate molari delle correnti di liquido e vapore che si muovono lungo la colonna restino costanti. Affinché si realizzi tale condizioni è necessario che i calori latenti molari dei componenti siano il più possibile simili in modo che il calore latente della miscela sia indipendente dalla composizione. Le moli che condensano saranno prevalentemente quelle del componente meno volatile e quelle che evaporano del più volatile, si realizza così il fenomeno dell’arricchimento.  Perdite di calore attraverso la colonna siano trascurabili.

A PIATTI FORATI con troppopieno: la fase dispersa, passando attraverso i fori dei piatti, si suddivide in goccioline che attraversano lo strato di fase continua, per poi riunirsi in una fase continua prima di attraversare il piatto successivo sono perciò degli estrattori a stadi. N.B.: per fase continua (disperdente) pesante l’interfaccia è in alto sopra l’alimentazione, viceversa per fase continua leggera, interfase in basso. 

COLONNE A RIEMPIMENTO simile a quelle di distillazione e assorbimento; migliore mescolamento tra fasi, con materiale bagnabile da una delle due; buona efficienza, possibili intasamenti

STIPPING: È l’operazione unitaria a stadi multipli che consente di trasferire un componente (soluto) di una miscela liquida dalla stessa alla fase aeriforme. Si utilizza una colonna di solo esaurimento alimentata in testa facendo uso di una corrente di vapore entrante dal basso. Il vapore deve essere surriscaldato per evitare la sua condensazione durante l’operazione. Il liquido è di solito riscaldato per ridurre la solubilità del soluto nel liquido. Il flusso di vapore in uscita è poi condensato per recuperare la sostanza presente. Si utilizzano i rapporti molari, visto che la portata molare non è costante e si lavora con concentrazioni piccole.

LEGGE DI HENRY: All’interfase di separazione liq-gas si forma un film stagnante sia nella fase liquida che nella fase gas dove le concentrazioni soddisfano la legge di Henry. Lontano dall’interfase, oltre il film stagnante, le concentrazioni sono costanti.

LEGGE DI FICK: il flusso di materia è direttamente proporzionale alla diffusibilità delle molecole, espressa dal coefficiente di diffusione D che è una costante di proporzionalità, alla differenza di concentrazione. Altro in scienza dei materiali 2