Chimica e laboratorio triennio
Prof. TROIANO Sergio
-CONCENTRAZIONE A MULTIPLO EFFETTO-
1) Generalità:
I processi chimici normalmente producono una soluzione diluita del prodotto e dunque occorre concentrarlo facendone evaporare, almeno in parte, il solvente. Quest'operazione è molto onerosa per le soluzioni acquose, a causa del grande valore del calore latente di vaporizzazione dell’acqua, e per ridurne il costo, è necessario usare la concentrazione a multiplo effetto, che può essere esercita in equicorrente o in controcorrente.
La controcorrente ha il pregio di una maggiore efficienza termica e quindi, a parità di condizioni, è più economico ma non può essere usata per le soluzioni aventi il soluto termolabile dato che la soluzione concentrata è assoggettata alla temperatura più alta, mentre nell’equicorrente è la soluzione diluita che è assoggettata alla temperatura più alta ed il soluto viene danneggiato meno.
Calcolare un impianto di concentrazione a multiplo effetto in controcorrente è un’operazione che può risultare molto arduo se si vuole condurre con estremo rigore, ma diventa piuttosto semplice se si adotta qualche ipotesi semplificativa.
Negli esercizi che riguardano i concentratori, normalmente sono noti il oltre al numero di stadi ed al sistema adottato, cioè se in controcorrente o in equicorrente, la portata e la concentrazione della soluzione che costituisce l’alimentazione, la concentrazione finale della soluzione, la temperatura dell’acqua di raffreddamento del condensatore finale necessario per condensare il vapore uscente dall’ultimo evaporatore, e la pressione del vapore di rete necessario per riscaldare il primo evaporatore.
Stante la complessità dell’impianto con numerose correnti, è assolutamente indispensabile, pena il caos più completo, disegnare subito un grossolano schema di processo per identificare con un certo ordine, sia le apparecchiature sia le correnti. Non vi è nessuna regola precisa sul sistema da seguire per identificare i componenti dell’impianto, tuttavia è opportuno usare le lettere per le apparecchiature ed i numeri per le correnti.
Come seconda operazione, onde evitare sempre possibili confusioni, e necessario fare una tabella in cui sono riportate, ma separatamente, sia le apparecchiature sia le correnti. La tabella delle apparecchiature deve avere almeno tre colonne in cui riporteremo i valori della temperatura, della pressione e del valore IPE, mentre per le correnti sono necessarie sei colonne in cui riporteremo rispettivamente portata della soluzione, portata soluto, portata solvente, concentrazione, temperatura ed infine lo stato fisico. Ovviamente, all’inizio sono molto pochi i dati noti e quindi la tabella risulta quasi del tutto vuota, ma verrà gradualmente riempita man mano che saranno da noi calcolati.
Come terzo punto è necessario fare il bilancio complessivo di materia riferito al soluto, tracciando una linea chiusa che comprenda tutte le apparecchiature che contengono il soluto, escludendo dunque il condensatore finale, e calcolando, dato che è l’unica incognita, la portata della soluzione concentrata. Nota la portata e la concentrazione possiamo trovare la portata del solvente e quella del soluto e scriverle nella tabella.
Nel quarto punto ipotizziamo che la portata di vapore che esce dai singoli evaporatori sia uguale, cosa plausibile se gli apparecchi d'evaporazione sono uguali tra loro o almeno simili possiamo calcolare la portata del vapore che esce da ogni singolo evaporatore semplicemente dividendo il solvente totale da evaporare diviso il numero d'evaporatori. Il solvente totale da evaporare, se non è noto, può essere calcolato sottraendo al solvente nell’alimentazione il solvente nella soluzione concentrata.
Note le portate dei vapori, possiamo calcolare ora, e costituirà il quinto punto, le portate e le concentrazioni delle soluzioni liquide che escono dal fondo dei concentratori semplicemente osservando che il soluto, non potendo evaporare, esce, con la stessa portata con cui è entrato, tutto con la soluzione di fondo mentre il solvente che evapora deve essere, di volta in volta sottratto e quindi la portata della soluzione tende man mano a diminuire mentre, per contro, la concentrazione tende ad aumentare.
A questo punto dovrebbero ormai essere note le portate e la concentrazione e lo stato fisico di quasi tutte le correnti e dunque anche la parte di soluto e di solvente di cui sono costituite e solo la colonna della temperatura resta tuttora incognita nella quasi interezza. Per calcolare i valori della temperatura delle apparecchiature e quindi delle correnti occorre, a questo punto formulare una seconda ipotesi, cioè che la pressione sia in tutte la stessa e dato che normalmente è nota, perché la dice il testo dell’esercizio, la pressione che c’è nel condensatore finale, tipicamente 76 torr pari a 0.1 ata, alla quale corrisponde la temperatura di 45 gradi, riteniamo, almeno nella in questa prima fase di calcolo, che tutte le apparecchiature abbiamo questa pressione. Nel malaugurato caso che il valore non sia noto si potrà calcolare attraverso la tensione di vapore dell’acqua ad una temperatura di circa quindici o venti gradi maggiore della temperatura dell’acqua di raffreddamento. Tutto questo è necessario per calcolare, servendoci del diagramma di Durhing, il valore dell’IPE per ciascun apparecchio.
Possiamo calcolare ora la caduta di temperatura nello scambiatore di calore che indico con dT, ipotizzando, ed è la terza ipotesi che facciamo, che essa sia uguale in tutti gli evaporatori, con la seguente formula:
dT= (temperatura vapore rete – temperatura condensatore) / numero effetti
Noto il valore di dT è facile trovare, con semplice ragionamento, il valore della temperatura delle singole apparecchiature e quindi delle correnti che fuoriescono da loro. Procedendo nel senso d'avanzamento della soluzione, la temperatura di un evaporatore è uguale alla temperatura dell’evaporatore precedente più il valore di dT più il valore dell’IPE dell’apparecchio. Se per ipotesi il vapore di rete fosse saturo alla pressione di 3 atm. ed alla temperatura di 133 gradi, il condensatore avesse la temperatura di 45 gradi, gli evaporatori fossero solo due collegati in controcorrente ed il valore dell’IPE fosse rispettivamente di 5 e di 15 gradi centigradi, ovviamente il valore più basso si riferisce all’evaporatore contenente la soluzione più diluita, il valore di dT risulta pari a 34 gradi ((133 - 45) / 2) e la temperatura dell’evaporatore con la soluzione diluita sarà uguale a 50 gradi (45+5) mentre la temperatura dell’altro evaporatore, quello con la soluzione concentrata cioè, sarà di 99 gradi (50+15+34).
A questo punto è possibile calcolare il vero valore della pressione dei singoli evaporatori che è quella del vapore saturo ad una temperatura pari a quella dell’apparecchio diminuita del valore dell’IPE ed, a rigore, il calcolo dovrebbe essere ripetuto dal punto in cui abbiamo ipotizzato che la pressione delle apparecchiature fosse la stessa dato che ora sappiamo che non è così, tuttavia, siccome l’IPE varia poco con la pressione, questa iterazione può essere trascurata.
Resta a questo punto di calcolare la portata di vapore di rete necessaria per alimentare l’evaporatore a temperatura maggiore e che può essere calcolato con le tabelle dell’entalpia o in mancanza considerando il calore latente per l’evaporazione del solvente alla pressione che regna nell’apparecchio più, e non bisogna dimenticarlo, il calore per surriscaldare il vapore di tanti gradi quant’è l’IPE dell’evaporatore. Per semplicità consideriamo che il calore ceduto dal vapore di rete sia solo quello latente anche se ciò non è del tutto proprio vero, e dunque la portata di vapore è uguale al calore richiesto dal solvente del evaporare e per surriscaldare il vapore diviso il calore latente del vapore di rete.
La portata dell’acqua di raffreddamento si può calcolare solo se è nota la sua risalita di temperatura oppure se sono note le specifiche del condensatore di fondo ed ovviamente il calore che deve perdere il vapore per condensare, dato che si tratta di vapore surriscaldato di tanti gradi quant’è l’IPE dell’apparecchio da cui proviene, deve essere prima raffreddato e poi condensato ed il calore può essere calcolato con le tabelle dell’entalpia o con il calore specifico e con il calore latente, deve essere preso dall’acqua di raffreddamento attraverso il calore specifico con conseguente aumento della sua temperatura che sarà tanto più lieve quanto maggiore è la sua portata.
Circa la strumentazione automatica occorre controllore di flusso per regolare la portata l’alimentazione, cioè della soluzione diluita che si vuole concentrare, occorre un controllore di livello per regolare il pelo libero della soluzione in ciascun evaporatore con la valvola che ovviamente agisce sulla soluzione in uscita, un controllore di temperatura su ciascun evaporatore con la valvola che agisce sulla corrente del vapore riscaldante ed infine di un controllore di pressione sul condensatore di fondo con la valvola che agisce sulla portata dell’acqua di raffreddamento.
In tutte le correnti di vapore che fuoriescono dagli evaporatori, deve essere inserito un eiettore localizzato, se possibile, direttamente nello scambiatore di calore nel quale avviene la condensazione, facendolo funzionare di continuo per un certo tempo, inizialmente per togliere l’aria ed attivandolo, in seguito, magari ad intermittenza, per mantenere bassa la concentrazione dei gas incondensabili che altrimenti si accumulerebbero pregiudicando il corretto funzionamento dell’impianto.
Per alimentare gli eiettori si può usare vapore di rete o anche aria compressa.
Siccome la soluzione, nella controcorrente deve risalire gli evaporatori da quello a pressione e temperatura minore verso quello a pressione e temperatura maggiore, è necessaria, tra un apparecchio ed il successivo, l’installazione di una pompa che solitamente è di tipo centrifugo con bassa prevalenza mentre per l’estrazione della condensa dagli scambiatori di calore in depressione è necessaria una pompa di estrazione oppure, se è possibile, l’installazione di una colonna barometrica.
La soluzione concentrata, dopo averne eventualmente recuperato, almeno in parte il calore preriscaldando l’alimentazione, viene inviata al serbatoio di stoccaggio mentre le condense, ad eccezione di quella proveniente dal vapore di rete che viene subito rimandata nella caldaia per generare nuovo vapore, dopo averne eventualmente recuperato il calore per preriscaldare l’alimentazione, vengono raggruppate e riutilizzate in altre operazioni oppure semplicemente smaltite.
2) Strumentazione di controllo:
L’impianto di concentrazione a multiplo effetto si compone dunque di un certo numero di evaporatori, dal condensatore di fondo che ha il compito di abbattere il vapore dell’ultimo stadio e dai recuperatori di calore con i quali si preriscalda l’alimentazione recuperando il calore delle condense.
La strumentazione automatica indispensabile è la seguente:
1) Alimentazione: necessita di un controllo di flusso FC con sensore e valvola sulla condotta e di un controllo di livello LC con il sensore nell’evaporatore, appena al di sopra dello scambiatore di calore.
2) Soluzione concentrata: necessita di un controllo di densità DC.
3) Condensatore: occorre controllare la pressione con un PC o in alternativa la temperatura con un TC, il sensore deve essere inserito nella parte alta del condensatore mentre la valvola deve intercettare l’acqua di raffreddamento in ingresso.
4) Evaporatori: devono avere un controllo di livello per garantire che il pelo libero della soluzione sia leggermente più in alto dello scambiatore di calore che, per il corretto funzionamento deve essere completamente sommerso. Il flusso del vapore che esce da ogni singolo evaporatore può essere regolato con un PC o anche, in alternativa con un TC, avente il sensore non nell’evaporatore che lo ha prodotto ma in quello in cui entra come fluido riscaldante. Nell’evaporatore riscaldato dal vapore di rete la valvola va messa sulla condotta del vapore di rete.
5) Eiettore: posto sul condensatore di fondo ha lo scopo di eliminare i gas incondensabili, necessita di un controllo di pressione PC con il sensore situato nella parte alta del condensatore e la valvola di intercettazione sulla condotta del vapore di rete che l'alimenta.
3) Sintesi di calcolo:
DT = (tvap – (tcond + somma IPE)) / (numero di evaporatori)