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1 Prof. Ernesto Trinaistich. 2 EVAPORATORI – CONCENTRATORI Si definiscono: operazioni unitarie un insieme di azioni di natura fisica. Processi unitari.

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1 1 Prof. Ernesto Trinaistich

2 2 EVAPORATORI – CONCENTRATORI Si definiscono: operazioni unitarie un insieme di azioni di natura fisica. Processi unitari comportano reazioni chimiche. evaporazione Levaporazione è una operazione unitaria utilizzata per separare ed eventualmente recuperare il solvente contenuto in una soluzione. concentrazione La concentrazione è una operazione unitaria la cui finalità è la concentrazione di una soluzione tramite evaporazione del solvente ( di solito acqua). In questo sistema si è in presenza di due tipi di vapore, quello di rete (utilizzato per riscaldare) che cede il calore di condensazione e il vapore che si sviluppa dalla ebollizione della soluzione. I problemi relativi alla concentrazione sono tre: 1) la trasmissione del calore; 2) la separazione del vapore prodotto; 3) la determinazione della portata del vapore di alimentazione (di rete).

3 3 La concentrazione è utilizzata per concentrare: soluzioni inorganiche, tipo : NaOH e vari Sali, oppure per soluzioni alimentari tipo il saccarosio. Il vapore prodotto dallevaporazione del solvente della soluzione non può disperdersi nellatmosfera e deve necessariamente essere abbattuto. Questultima operazione viene effettuata in una apparecchiatura ausiliaria chiamata condensatore. Esso può essere a miscela, nel caso in cui si deve condensare vapore dacqua, oppure a serpentina se si tratta di solvente che deve essere recuperato ( quindi non deve miscelarsi con lacqua).

4 4 Il concentratore I concentratori possono essere a circolazione naturale o forzata (utilizzando pompe per liquidi viscosi) e del tipo: 1. A fascio tubiero orizzontale. Il vapore di rete passa allinterno dei tubi, dove cede il proprio calore latente di condensazione, mentre la soluzione è allesterno dei tubi. I tubi disposti orizzontalmente rappresentano un ostacolo ai moti convettivi e il coefficiente di trasferimento globale è basso. 2. a fascio tubiero verticale (tubi corti). A seguito dei moti convettivi la soluzione sale allinterno dei tubi e scende dal condotto centrale. Il vapore di rete non circola allinterno di tubi ma li riscalda esternamente. I tubi hanno lunghezza di circa 1.20 m.

5 5 Il concentratore a tubi verticali si può considerare linsieme di tre pezzi, tra loro flangiati : a)il pezzo superiore, del tutto simile a quello inferiore, dove avvengono i moti convettivi che movimentano la massa della soluzione; b) il pezzo centrale costituito da un monoblocco cilindrico che ha al centro un tubo verticale di maggiore diametro in cui scende la soluzione per azione dei moti convettivi, e ha intorno altri tubi di minor diametro in cui la soluzione sale.

6 6 Vista frontaleVista alto Bulloni flangia Tubo centrale Tubi interni ll vapore di rete W circola allinterno del monoblocco riscaldando i tubi IN cui si muove la soluzione. Il vapore di rete, in genere surriscaldato a 150°C, cioè ottenuto a pressioni di circa 5 ata, nello scambio condensa e cede il calore latente di condensazione.

7 7 Portata soluzione F IN S A S Vapore di rete W Soluzione out incondensabili condensa C

8 8 Le caratteristiche del concentratore a tubi verticali sono: 1. Elevato coefficiente di trasferimento globale U; 2. facile pulizia delle varie parti dellapparecchiatura (perché flangiate). Negli evaporatori a tubi lunghi o Kestner (i cui tubi arrivano a 7 m.) la soluzione passa dentro tubi e il vapore è allesterno di essi. F V S W

9 9 Dimensionamento degli evaporatori I concentratori possono essere a singolo effetto o a multiplo effetto (due o anche tre). Il dimensionamento consiste nella determinazione della portata del vapore di rete, della superficie di scambio del concentratore e la portata di acqua del condensatore. La pressione e quindi la temperatura di esercizio, il coefficiente U, le entalpie e calori latenti sono dati del problema. Il problema si risolve con bilanci di materia e di energia nonché con limpiego delle equazioni di trasferimento del calore. BILANCI: Sono di tre tipi: 1) Bilancio totale di materia; 2) Bilancio al soluto; 3) Bilancio di energia.

10 10 Le grandezze che figurano nel bilancio sono: F portata della soluzione in Kg/h; c O concentrazione della soluzione in ingresso (in %); W portata del vapore di rete in Kg/h; λ W calore latente del vapore di rete, Kcal/Kg o Kcal/Kmol; V portata del vapore uscente Kg/h S portata della soluzione in uscita Kg/h C portata della condensa del vapore di rete Kg/h c S concentrazione ( in % ) della soluzione in uscita H W entalpia del vapore di rete

11 11 1) Bilancio di materia: In condizioni stazionarie la somma delle portate entranti è uguale alla somma di quelle uscenti: F = S + V 2) Bilancio al soluto: F * c O = S * c S La portata in peso del soluto in ingresso è uguale a quella in uscita. 3) Bilancio di energia Si considera il contenuto entalpico delle unità in ingresso e in uscita dellevaporatore: la somma dellenergia entrante è uguale alla somma di quella uscente. Considerando le quantità di calore associato a ciascuna portata, si può scrivere: Q F + Q W = Q V + Q C + Q S

12 12 Ciascuna quantità di calore associato ad una portata, cioè il suo contenuto termico, è uguale al prodotto dellEntalpia, riferita allunità di massa o mole, moltiplicata per la portata. In prima approssimazione lEntalpia dei liquidi si può considerare uguale, ma solo come valore numerico, alla temperatura del liquido stesso ( lentalpia di un liquido si indica con l h minuscola). Pertanto si ha: F * h F + W * H W = V * H V + S*h S + C * h C Considerando che la differenza tra il contenuto termico del vapore di rete entrante e quello della condensa prodotta è uguale al calore ceduto dallo stesso vapore ( calore latente del passaggio di stato) si ha: W * H W - C * h C = W * λ W Il bilancio diventa: F * h F + W * λ W = V * H V + S*h S λ W rappresenta il calore latente di condensazione.

13 13 Equazione di trasferimento Lequazione è : Q scambiato = U * A * ( t W – t S ) dove Q è quello trasferito dal vapore di rete alla soluzione: Q = W * λ W (calore ceduto nella condensazione del vapore di rete) Da questa formula è possibile calcolare la superficie del concentratore A.

14 14 Condensatori dei vapori I Condensatori dei vapori sviluppati dalla soluzione in ebollizione possono essere: a) a fascio tubiero. Vengono utilizzati negli evaporatori quando la finalità è il recupero del solvente. Il vapore passa allinterno del mantello mentre lacqua di raffreddamento nel fascio fascio tubiero. b) a miscela. Utilizzati nei concentratori dove il vapore è vapor dacqua. Si ha intima miscelazione del vapore con lacqua di raffreddamento. Lacqua entra in testa al condensatore e cadendo allinterno passa su gradini e ciò favorisce il contatto vapore-acqua favorendo la condensazione del vapore. Se il concentratore lavora in depressione, cioè allinterno vi è una pressione inferiore a quella atmosferica, si usa ilcondensatore barometrico.

15 15 Il bilancio del condensatore, che permette di determinare la portata di acqua necessaria ad abbattere il vapore, è nei due casi diverso. A quota zero, alla base del condensatore, prima dello scarico, è presente uno scaricatore di condensa ( a campana galleggiante o a sospensione a molla) che permette luscita, man mano che si forma, della sola condensa. Acqua di Acqua di Vapore raffreddamento raffreddamento acqua Condensa Acqua + Condensa Condensatore a fascio tubero Condensatore a miscela Vap

16 16 Bilanci di energia dei condensatori: a) Condensatore a fascio tubiero: Il calore che entra in gioco, cioè quello scambiato Q S, è uguale a quello ceduto nella condensazione del vapore Q D ed anche a quello assorbito dallacqua di raffreddamento Q F. Rispettivamente si ha: Q S = U * A * Δtml; Q D = λ V * Vsol. ; Q F = F acqua * Cp * (t Fu – t Fi ) Q S = Q D = Q F Osservando QD è bene ricordare che la quantità di calore associato ad una grandezza è uguale allentalpia (per unità di massa o di mole) moltiplicata per la portata della grandezza stessa.

17 17 Legenda: U rappresenta il coefficiente globale di scambio; A la superficie del fascio tubero; t V la temperatura del vapore sviluppato dalla soluzione in ebollizione proveniente dal concentratore; t Fi la temperatura dellacqua fredda in ingresso; ( t V – t Fi ) – (t V – t Fu ) Δtml = ( t V – t Fi ) ln (t V – t Fu ) t Fu la temperatura dellacqua fredda in uscita; λ V il calore latente di condensazione del vapore della soluzione ( Kcal/Kg o Kcal/Kmol; V solv. la portata in Kg/h del vapore uscente dal concentratore F portata di acqua di raffreddamento Cp calore specifico dellacqua; Le formule sopra riportate permettono la determinazione della portata F di acqua di raffreddamento necessaria a condensare il vapore e il calcolo della superficie A del fascio tubiero del condensatore.

18 18 b) Condensatore a miscela: In questo caso il problema si affronta considerando il bilancio energetico globale. Q V quantità calore che entra con il vapore + Q F calore associato allacqua di raffreddamento è = Q V +F quantità di calore uscente (condensa + acqua). quindi: Q V + Q F = (Q V +F) ; cioè H V * V + F * h F = (V + F) * h C Hv rappresenta lentalpia del vapore in Kcal/kg; V la portata del vapore. h F e h C rappresentano le entalpie dei due liquidi, in ingresso e in uscita ( in Kcal/kg). ( H V - h C ) Si ha: F = V * (h C - h F )

19 19 La formula permette di calcolare la portata F in Kg/h, che rappresenta la quantità minima di acqua necessaria alla condensazione dei vapori. Il più delle volte loperazione della concentrazione viene effettuata a pressione minore di una atmosfera, perché in questo modo lebollizione della soluzione avviene a temperatura minore. Per compensare la depressione esistente nellimpianto che ostacolerebbe luscita dei liquidi vengono utilizzati condensatori barometrici. La presenza di una canna barometrica sullo scarico permette di compensare la eventuale minore pressione di operazione. Si utilizzano altezze della canna barometriche di sette-otto metri,( 10,33m di acqua corrisponde ad una atm). Per la fuoruscita degli incondensabili, sempre presenti (2 %), si usano gli eiettori, i quali funzionano in modo analogo alla pompa ad acqua usata per provocare la necessaria depressione nelle filtrazioni sotto vuoto.

20 20 Nelleiettore viene inviato un pennello di vapore di rete, il quale passando da una sezione più piccola ad una più grande (nel corpo delleiettore), provoca un risucchio e permette leliminazione degli incondensabili dallimpianto. In corrispondenza della strozzatura, dallequazione di Bernoulli, diminuendo la sezione si ha un aumento della velocità e di conseguenza una diminuzione della pressione. Ciò provoca una aspirazione (similmente a quello che avviene nella pompa ad acqua usata nella filtrazione). V Incondensabili Vapore

21 21 Altre apparecchiature ausiliarie sono: a) scaricatori di condensa del vapore di rete. Possono essere a secchiello rovesciato o a galleggiante ( funzionano come quelli del water), essi permettono lo scarico della condensa in modo discontinuo, altrimenti si avrebbe scarico continuo di vapore nellatmosfera. Quando si è formata una certa quantità di condensa scatta un meccanismo che ne permette lo scarico, alla fine, in modo automatico, lo scarico si chiude. b) separatori di trascinamento a ciclone. Permettono di recuperare gocce di soluzione trascinate dal vapore che si sviluppa dal concentratore. Il vapore circola lungo lelica del ciclone abbandonando le gocce che ritornano allinterno del concentratore.

22 22 Separatore di gocce Scaricatore di condensa a galleggiante

23 23 E1E1 Duplice effetto in equicorrente Per migliorare lefficienza dei concentratori si usano multipli effetti. E1E1 E2E2 h C1 h C2

24 24 Il vapore di rete entra nel primo evaporatore. Il vapore che fa bollire la soluzione nel secondo evaporatore è V 1 che ha temperatura T 1 uguale a quella di ebollizione della soluzione in E 1. La soluzione in E 2 ha temperatura di ebollizione maggiore (perché più concentrata), l E 2 deve quindi operare necessariamente in depressione. Le differenze tra il duplice effetto in equicorrente dal controcorrente sono: in equicorrente la soluzione concentrata passa nel secondo evaporatore dove la t° è inferiore, con aumento di viscosità e diminuzione di U ( Coeff. Globale di scambio) (lavora in depressione). Nel controcorrente U resta pressoché costante. In equicorrente lo spostamento della soluzione dal primo al secondo evaporatore è spontaneo, mentre nel controcorrente per passare dal secondo al primo necessita di una pompa; Lequicorrente si preferisce nella concentrazione di prodotti organici. Si evita limpatto (nel secondo evaporatore) tra la soluzione concentrata e il vapore di rete.

25 25 Bilanci e dimensionamento di un duplice effetto in equicorrente Bilanci di materia al 1° effetto: F = V 1 + S 1 F * Co = S 1 * C 1 Bilancio di energia al 1° effetto: F * h F + W * λ W = V 1 * H V1 + S 1 * h S1 Equazione di trasferimento al 1° effetto: Q 1 = U 1 * A 1 * ( t W – t S1 ) ; Bilanci di materia al 2° effetto: S 1 = V 2 + S 2 S 1 * C 1 = S 2 * C 2 Bilancio di energia al 2° effetto: V 1 * λ V1 + S 1 * h S1 = V 2 * H V2 + S 2 * h S2 Equazione di trasferimento al 2° effetto: Q 2 = U 2 * A 2 * ( t v1 – t S2 ) ;

26 26 Bilancio di materia globale: F = V 1 + V 2 + S 2 ; F * Co = S 1 * C 1 = S 2 * C 2 (bilancio al soluto) Bilancio di energia globale: F * h F + W * λ W = V 2 * H V2 + S 2 * h S2 + V 1 * h C1 h C1 è lentalpia della condensa, che ha valore numerico pari alla T W. Per la risoluzione dei problemi si utilizzano le formule dei bilanci. A volte è necessario ricorrere a sistemi di equazioni. Nella risoluzione dei problemi si considera ininfluente lIPE (incremento del punto di ebollizione), e il valore delle entalpie dei liquidi si assimila uguale alle t° degli stessi. I valori delle entalpie vengono lette nelle apposite tabelle, conoscendo la pressione in ata o in bar del vapore di rete e la pressione di esercizio nei due effetti o attraverso le temperature.

27 27 Duplice effetto in controcorrente E2E2 h c1 h C2 E1E1 Co < C 2 < C 1

28 28 Bilanci di materia al 1° effetto: S 2 = V 1 + S 1 S 2 * c 2 = S 1 * c 1 Bilancio di energia al 1° effetto: S 2 * h S2 + W * λ W = V 1 * H V1 + S 1 * h S1 Equazione di trasferimento al 1° effetto: Q 1 = U 1 * A 1 * ( T W – T 1 ) Bilanci di materia al 2° effetto: F = V 2 + S 2 F * co = S 2 * c 2 Bilancio di energia al 2° effetto: V 1 * λ V1 + F * h F = S 2 * h S2 + V 2 * H V2 Equazione di trasferimento al 2° effetto: Q 2 = U 2 * A 2 * ( T 1 – T 2 ) Bilancio di materia globale: F = V 1 + V 2 + S 1 Bilancio al soluto F * c O = S 1 * C 1 = S 2 * c 2 Bilancio di energia globale: F * h F + W * λ W = V 2 * H V2 + S 1 * h S1 + V 1 * hc 1 hc 1 è lentalpia della condensa, che ha valore numerico pari alla T W.

29 29 Schema Concentratore a singolo effetto E Concentratore PIC1, PIC2, PIC3 sono indicatori controllori di pressione, cioè monitorizzano la pressione e agiscono sulla valvola servocomandata applicata al fluido. LIC indicatore controller di livello ( agisce sulla portata dellalimentazione). DIC indicatore controller della densità (agisce sulla uscita della soluzione) V vapore A acqua E

30 30 F Condensatore Eiettore E1E1 E2E2 Schema Duplice effetto in equicorrente

31 31 Schema duplice effetto in controcorrente

32 32 E 1 e E 2 evaporatori D 1 serbatoio alimentazione D 2 serbatoio soluzione concentrata in uscita E 3 scambiatore di calore (preriscaldatore) S scaricatori di condensa D 3,D 4,D 5 separatori di gocce AR acqua di raffreddamento VB vapore di rete TDRC registratore controller della temperatura ( agisce sul vapore) DCI controller della densità ( agisce sulluscita della soluzione) LIC indicatore controller del livello (agisce sulla portata) TIC indicatore controller della temperatura ( agisce sul vapore di rete)

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34 34 D1 serbatoio alimentazione D2 serbatoio prodotto finito E1 Primo effetto E2 Secondo effetto C Condensatore a miscela barometrico G1 Pompa centrifuga G2 Pompa speciale ( a capsulismi, a ingranaggi …) SD Recuperatore gocce PJ Eiettore con funzione di pompa a vuoto S1,S2,S3 Scaricatori di condensa FC Controller portata di alimentazione TC Controller temperatura LC Controller livello PC Controller pressione AR Acqua di raffreddamento V Vapore di rete

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