La concentrazione industriale di una soluzione avente un soluto altobollente può essere fatta con il sistema a multiplo effetto o con la termocompressione.
La scelta del sistema deve essere fatta con i criteri economici, tuttavia in generale la termocompressione è conveniente solo per la concentrazione delle soluzioni a basso valore di IPE, cioè per quelle diluite.
I due sistemi possono anche essere usati insieme, ed in tale caso si inizia a concentrare con la termocompressione e poi, quando la concentrazione ha raggiunto un certo valore, si continua con l’evaporazione a multiplo effetto.
Il calcolo delle correnti in un impianto a multiplo effetto sia in equicorrente che in controcorrente è certamente irto di difficoltà, ma diventa facile se si rinuncia ad eseguirlo con estremo rigore e si ammette qualche ipotesi semplificativa cosa che peraltro non pregiudica l’accuratezza del risultato.
Gli apparecchi principali che troviamo in un impianto a multiplo effetto sono relativamente pochi e sono gli evaporatori, il condensatore, gli scambiatori di calore per recuperare calore dalle condense ed eventualmente anche dalla soluzione concentrata in uscita, gli eiettori e le pompe, queste ultime possono mancare in caso di evaporazione a multiplo effetto in equicorrente.
I dati noti sono generalmente la concentrazione e la portata e la temperatura della soluzione diluita in ingresso, la concentrazione della soluzione concentrata in uscita, la formula del soluto, la pressione del consensatore finale, il salto termico dello scambiatore di calore negli evaporatori.
Per il calcolo delle correnti, benché non sia certamente indispensabile, nei limiti del possibile, può essere utile attenersi alla seguente metodica che, per comodità sintetizzo in specifici punti:
Disegnare uno schema di processo, anche grossolano dell’impianto per identificare le apparecchiature (con una lettera maiuscola) e le correnti (con un numero).
Tracciare una linea chiusa intorno agli evaporatori e fare il bilancio di materia, riferito al soluto, per calcolare la portata della soluzione concentrata uscente.
Calcolare il solvente evaporato complessivamente osservando che è uguale alla soluzione diluita entrante meno la soluzione concentrata uscente.
Fare l’ipotesi che il vapore uscente dai singoli evaporatori sia uguale tra di loro e calcolarne la portata dividendo il vapore complessivo calcolato nel punto 3 per il numero di evaporatori.
Osservare che il soluto non evapora e quindi che tutto quello che entra con la soluzione diluita deve uscire con la soluzione concentrata dal fondo di ciascun evaporatore.
Facendo il bilancio di materia per ciascun evaporatore a partire da quello dove entra l’alimentazione, cioè la soluzione diluita da concentrare, è possibile calcolare la portata e la concentrazione della soluzione uscente dal fondo dell’evaporatore.
Nota la pressione del condensatore finale ricercare la temperatura di rugiada con le tabelle della tensione di vapore dell’acqua riportate in appendice nel libro di testo.
Stimare in prima approssimazione la pressione uguale ad una atmosfera in tutti gli evaporatori e calcolare il valore di IPE, cioè la differenza tra la temperatura di ebollizione della soluzione e quella del solvente nelle identiche condizioni, in tutti gli evaporatori considerando la concentrazione della soluzione uscente da ciascuno di essi.
Con le tabelle della tensione di vapore dell’acqua trovare la temperatura di rugiada del vapore di rete che riscalda il primo evaporatore.
Calcolare il salto termico nello scambiatore di ciascun evaporatore, supposti uguali tra di loro, osservando che è uguale alla temperatura del vapore di rete meno la temperatura del condensatore di fondo meno la somma degli IPE ed il risultato deve essere diviso per il numero di evaporatori.
Calcolare la temperatura della soluzione e del relativo vapore di ciascun evaporatore osservando che, partendo dal candensatore e procedendo verso l’evaporatore riscaldato dal vapore di rete, la temperatura dell’evaporatore avente indice i è uguale alla temperatura dell’evaporatore avente indice "i-1" più il salto termico dello scambiatore di calore nell’evaporatore avente indice "i-1" più il valore di IPE dell’evaporatore avente indice "i". La temperatura dell’ultimo evaporatore, quello vicino al condensatore di fondo si ottiene con la stessa formula ma ponendo uguale a zero il salto termico nello scambiatore precedente, e la temperatura dell’evaporatore precedente uguale a quella che c’è nel condensatore di fondo.
Note le temperature degli evaporatori ed osservando che il vapore prodotto dagli evaporatori è un vapore surriscaldato di un numero di gradi pari al valore di IPE, possiamo calcolare la pressione che regna nell’evaporatore con le tabelle della tensione di vapore dell’acqua e considerando una temperatura del vapore più bassa di quella effettiva di un numero di gradi pari all’IPE della soluzione che lo ha generato.
Note le pressioni degli evaporatori occorre ripetere il calcolo dei valori di IPE e quindi anche di tutto quello che ne consegue, ricircolando il calcolo dal punto 8.
Calcolare la portata di acqua di raffreddamento nel condensatore finale, che generalmente è un condensatore barometrico senza recupero della condensa del vapore con un bilancio di calore del condensatore.
Calcolare la portata di vapore di rete con un bilancio di calore dell’evaporatore da esso riscaldato.
Riportare in una tabella tutti gli apparecchi, ciascuno identificato con una lettera maiuscola, la pressione, la temperatura, il valore di IPE.
Riportare in un’altra tabella tutte le correnti identificate con un numero e per ciascuna di esse la portata della soluzione, del soluto e del solvente, la concentrazione, la temperatura, la pressione, l’entalpia e lo stato fisico.
Calcolare, se richiesto, gli scambiatori di calore per preriscaldare l’alimentazione e recuperare calore tutte le condense meno quella del vapore di rete che deve essere ricircolata nella caldaia per produrre nuovo vapore, ed eventualmente anche dalla soluzione concentrata.