Chimica e laboratorio triennio

Prof. TROIANO Sergio

La concentrazione delle soluzioni attuata attraverso l'evaporazione del solvente, è un'operazione unitaria in quanto l'azione è costituita da una successione di scambi di calore e di cambiamenti di stati fisici, fenomeni tutti di natura strettamente fisica, e dunque si tratta di una tipica operazione unitaria.

Naturalmente l'evaporazione può essere usata per la concentrazione delle sole soluzioni aventi come soluto sostanze con bassa tensione di vapore e che non siano termodegradabili altrimenti occorre usare l'evaporazione a pressione ridotta.

Numerosi sono i casi, nell'industra, in cui si ricorre all'evaporazione per sia per concentrare le soluzioni che per ottenere il soluto allontanando del tutto il solvente come accade ad esempio nel processo di estrazione dello zucchero dalle soluzioni zuccherine, negli zuccherifici.

La quantità di calore necessaria per far evaporare in tutto o in parte il solvente, nel caso delle soluzioni acquose che sono quelle di gran lunga più ricorrenti, è molto grande a causa del notevole calore latente dell'acqua, ma può essere ridotto usando evaporatori a multiplo effetto in cui il vapore proveniente da ciascun evaporatore viene utilizzato come fluido riscaldante nel successivo.

Anche se in qualche caso, come nell'impianto per la potabilizzazione dell'acqua marina, si possono raggiungere e superare addirittura i dieci effetti, ed in quel caso ciò che interessa effettivamente è il solvente e non il soluto, pure tuttavia il caso più frequente è costituito da due o tre soli effetti in controcorrente o in equicorrente.

La controcorrente è certamente il sistema più efficiente ed è sicuramente il più usato ma ha lo svantaggio di presentare la temperatura più alta in corrispondenza della concentrazione più alta, cosa deleteria per i soluti termolabili nel qual caso si preferisce usare l'equicorrente.

La trattazione quantitativa di un evaporatore a multiplo effetto è molto complessa e il calcolo può essere da noi eseguito con accuratezza solo per l'evaporatore semplice, e nel doppio effetto, però con qualche semplificazione.

Benchè ciò non costituisca una regola, stante le numerose correnti coinvolte nel processo, è opportuno identificarle subito una lettera seguita da un numero, al primo punto dello svolgimento, con un disegno che rappresenti, sia pure sommariamente, lo schema di processo e identificando con il numero 1 l'evaporatore di sinistra e con il numero 2 quello di destra. La corrente di vapore che esce ovviamente dall'alto dell'evaporatore conviene chiamarla con la lettara V seguita dal numero dell'evaporatore da cui esce, ed alla soluzione concentrata che esce invece dal basso attribuiremo la lettera S seguita a sua volta dal numero dell'evaporatore da cui esce.

La concentrazione espressa preferibilmente in % in peso deve essere indicata con la lettera C seguita dalla corrente a cui si riferisce, mentre per l'entalpia viene comunemente usata la lettera H maiuscola se la corrente è gassosa e minuscola se è liquida sempre seguita dalla sigla della corrente a cui si riferisce.

Al secondo punto, soprattutto se il processo si dimostra complicato è assai importante per non smarrirsi nel calcolo, stilare l'elenco delle correnti e scrivendo a fianco la rispettiva portata, concentrazione, temperatura, pressione ed entalpia, ovviamente se sono note.

Al terzo punto, escludendo gli eventuali condensatori e i recuperatori di calore, si devono impostare i bilanci di materia di ciascun evaporatore e dell'intero impianto, sia quelle relative alle portate ponderali sia quelle relative al soluto.

Se l'impianto è in controcorrente, l'alimentazione è immessa nell'evaporatore di destra e il vapore riscaldante non si mescola con la soluzione, escludendo per il momento i fluidi riscaldanti, le equazioni sono solo 6 e sono le seguenti:

1) F=S2+V2 4) F*cF=S2*cS2

2) S2=S1+V1 5) S2*cS2=S1*cS1

3) F=S1+V1+V2 6) F*cF=S1*cF1

Queste equazioni però, malgrado il loro numero, da sole assai difficilmente consentono di calcolare tutte le portate e le concentrazioni delle correnti e dunque, almeno occorre aggiungerne qualche altra che potrebbe essere ricavata facendo il bilancio di calore complessivo e delle singole apparecchiature coinvolgendo o meno il vapore riscaldante.

Spesso il vapore uscente dall'ultimo evaporatore viene condensatore in depressione, raffreddato con acqua a temperatura poco più elevata di quella ambiente ed è quindi possibile, con una buona approssimazione da essa risalire per mezzo della tabella della tensione di vapore dell'acqua alla temperatura ed alla pressione della corrente ed anche dell'apparecchiatura da cui proviene.

Malgrado tutto ciò, potrebbe presentarsi qualche caso in cui non si riesca ancora a risolvere le equazioni ed a trovare le portate e la concentrazione delle correnti ed in questa sfortunata circostanza occorre fare qualche posizione iniziale come ad esempio imporre che le portate di V1 e di V2 siano uguali tra di loro, eseguire il calcolo ed eventualmente verificare che la posizione assunta era quella giusta.

La difficoltà maggiore nel calcolo dell'evaporatore sta nella diminuzione della tensione di vapore e quindi nell'aumento della temperatura di ebollizione della soluzione rispetto a quella del solvente puro alla stessa pressione, provocata dalla presenza del soluto, valore che dovrebbe essere ricavato dal diagramma di Durhing che, costruito per una certa pressione, mette in relazione, a varie concentrazioni, la temperatura di ebollizione del solvente con quella della soluzione.

L'innalzamento della temperatura di ebollizione causata dalla presenza di un soluto altobollente viene indicato con la sigla IPE e può essere solitamente trascurato per le soluzioni molto diluite ma non per quelle concentrate dato che per queste ultime può essere anche di centinaia di gradi e questo fa si che le correnti V che si producono negli evaporatori sono in realtà vapori surriscaldati.

L'entalpia del vapore saturo, riferito all'acqua, è facilmente reperibile sui testi di chimica, ma non quella del vapore surriscaldato che quindi dobbiamo provvedere noi stessi a calcolarla ricercando prima l'entalpia del vapore saturo alla stessa pressione e poi dobbiamo aggiungere il calore sensibile per passare alla temperatura del vapore surriscaldato con la formula

Q = M * Cp * (Tf - Ti)

ed il calore specifico, che come è noto dipende dalla temperatura, deve essere valutato alla temperatura media tra le due.