EVAPORAZIONE
EVAPORAZIONE
Scopo
Allontanare il solvente sotto forma di vapore da una soluzione
di un soluto non volatile in modo da aumentare la
concentrazione o recuperare il solvente puro.
Operazione
La soluzione viene portata al punto di ebollizione fornendo
calore, parte del solvente viene vaporizzato e (eventualmente)
condensato.
Esempi di Applicazioni
Concentrazione di:
• Acque salmastre o saline (produzione acqua potabile)
• Soluzioni inorganiche (NaOH, acido solforico, etc.)
• Succhi alimentari (limone, arancia, frutti tropicali, etc.)
• Soluzioni zuccherine (melasse)
• Latte, latticini, siero di latte
• Estratti di erbe, caffè, te,...
• Prodotti farmaceutici
• Acque di scarto e reflui
• Etc.
Fattori che influenzano il processo
• Concentrazione della fase liquida
• Solubilità
• Termolabilità delle sostanza trattate
• Schiumeggiamento
• Temperatura e pressione di esercizio
• Sporcamento
• Aggressività delle sostanze trattate
Prestazioni degli Evaporatori
Capacità – kg/h di solvente vaporizzato
Efficienza energetica – kg di solvente vaporizzato per kg di
vapore (primario) alimentato
Singolo effetto: efficienza <1.0
Multipli effetti: efficienza > 1.0
Consumo di vapore = capacità/efficienza
FATTORI CHE INFLUENZANO IL PROCESSO DI EVAPORAZIONE
INNALZAMENTO EBULLIOSCOPICO
INNALZAMENTO DELLA TEMPERATURA DI EBOLLIZIONE A SEGUITO DELLA
PRESENZA DEL SOLUTO IN SOLUZIONE
Regola di Duhring– Per una data pressione di esercizio l’innalzamento del punto di ebollizione (IPE) è
proporzionale alla concentrazione della soluzione. La costante di proporzionalità in generale è funzione
della pressione.
• IPE Modesto per soluzioni diluite o colloidali
• Per soluzioni concentrate l’IPE si può calcolare mediante i
diagrammi di Duhring (ove presenti)
ESEMPIO
Diagramma di Duhring per soluzione acquosa di NaOH
FATTORI CHE INFLUENZANO IL PROCESSO DI EVAPORAZIONE
PRESSIONE DI ESERCIZIO
LA TEMPERATURA DI EBOLLIZIONE DI UN LIQUIDO (SIA ESSO PURO O UNA
SOLUZIONE) E’ OVVIAMENTE DETERMINATA DALLA PRESSIONE DI ESERCIZIO
EQUAZIONE DI CLAUSIUS-CLAPEYRON
Controllo della Pressione Operativa
• Per incrementare la pressione si opera mediante una valvola di laminazione che imponga una
perdita di carico aggiuntiva sulla linea vapore in uscita all’evaporatore.
• Per diminuire la pressione è necessario condensare il vapore mediante un condensatore che
operi a una temperatura inferiore a quella di ebollizione in condizioni standard (1 atm). La
soluzione più utilizzata nel caso di soluzioni acquose è quella del condensatore barometrico che
non necessita di pompe di estrazione per l’acqua di raffreddamento.
FATTORI CHE INFLUENZANO IL PROCESSO DI EVAPORAZIONE
CONDIZIONI TERMICHE DELL’ALIMENTAZIONE
Condizioni dell’alimentazione
Capacità
Alimentazione alla sua T di saturazione
(Ts) corrispondente esattamente alla
pressione di esercizio
Alimentazione sottoraffreddata (T < Ts)
Alimentazione surriscaldata (T > Ts)
Capacità ridotta rispetto al Q calcolato
Capacità aumentata rispetto al Q
calcolato
FATTORI CHE INFLUENZANO IL PROCESSO DI EVAPORAZIONE
IL FENOMENO DI BLANKETING DEL VAPORE
AD UN LIQUIDO CHE SCORRE ALL’INTERNO
DI UN TUBO SI FORNISCE CALORE
D A L L ’ E S T E R N O F I N O A P O RTA R L O
ALL’EBOLLIZIONE.
SI FORMANO LE PRIME BOLLE DI VAPORE
SULLA SUPERFICIE INTERNA DEL TUBO.
CONTINUANDO A FORNIRE CALORE IL
N U M E RO D I B O L L E A U M E N TA E
L’EBOLLIZIONE SI ESTENDE A TUTTA LA MASSA
DEL LIQUIDO
CALORE
FLUIDO RISCALDANTE TROPPO
ENERGETICO
(TROPPA DIFFERENZA DI
TEMPERATURA TRA Teb DEL LIQUIDO
E T DEL FLUIDO RISCALDANTE
SE IL CALORE FORNITO E’ TROPPO, OPPURE IL RISCALDAMENTO E’ TROPPO RAPIDO,
L’EBOLLIZIONE DEL LIQUIDO PUO’ AVVENIRE IN MANIERA TROPPO VELOCE E VIOLENTA.
IN QUESTO MODO SI HA UNA SOVRAPRODUZIONE DI BOLLE DI VAPORE CHE
RICOPRONO LA PARETE INTERNA DEL TUBO.
IN QUESTE CONDIZIONI LO SCAMBIO DI CALORE TRA FLUIDO INTERNO ED ESTERNO
RISULTA MINORE PROPRIO A CAUSA DELLO STRATO DI VAPORE CHE RICOPRE LA
SUPERFICIE INTERNA DEL TUBO
Calore scambiato tra i due fluidi
Flusso di calore
proporzionale al
tra i due fluidi
Lungo il tratto a si ha un aumento del flusso termico senza produzione di vapore che inizia nel tratto b. All’aumentare di ΔT aumenta
anche il flusso termico e con esso la velocità di produzione di vapore. Superata una differenza di temperatura critica (ΔTC) si passa al
tratto c, in cui la superficie riscaldante è interamente ricoperta di vapore, questo impedisce il contatto tra il liquido e la parte di
tubo, con conseguente diminuzione del coefficiente di scambio. Questo fenomeno è chiamato blanketing. Le bollicine di vapore che si
formano sono così piccole da non riuscire a staccarsi perché, avendo elevata tensione di vapore, non assumono forma tondeggiante.
FATTORI CHE INFLUENZANO IL PROCESSO DI EVAPORAZIONE
VELOCITA’ DI ALIMENTAZIONE DEL LIQUIDO
LA FORMAZIONE DELLE BOLLE DI VAPORE (E QUINDI IL LORO DISTACCO DALLA
SUPERFICIE DEL SOLIDO) CREA UNA TURBOLENZA AGGIUNTIVA
ALL’INTERNO DELL’APPARECCHIATURA IL LIQUIDO HA SICURAMENTE UNA VELOCITA’
DIVERSA RISPETTO ALL’ENTRATA
SPERIMENTALMENTE SI NOTA CHE:
1) PER BASSE V DI ALIMENTAZIONE (ES. CONVEZIONE NATURALE) GLI h EFFETTIVI SONO
CIRCA IL DOPPIO DI QUELLI TEORICI CALCOLATI
2) SE SI PASSA A CONVEZIONE FORZATA, PER V FINO A 10m/s, GLI h EFFETTIVI SONO CIRCA
1,25 VOLTE MAGGIORI DI QUELLI TEORICI
3) PER V>30-40 m/s h teorico circa UGUALE ad h sperimentale: NON SI HA PIU’ FORMAZIONE
DI BOLLE, QUINDI IL LIQUIDO NON EVAPORA MA EFFETTUA SOLO UNO SCAMBIO
TERMICO (SEMPLICE RISCALDAMENTO)
FATTORI CHE INFLUENZANO IL PROCESSO DI EVAPORAZIONE
INFLUENZA DEL BATTENTE DI LIQUIDO
LE EVIDENZE SPERIMENTALI DIMOSTRANO CHE h DEL LIQUIDO E’ INFLUENZATO ANCHE
DAL BATTENTE DI LIQUIDO AL DI SOPRA DEL FASCIO TUBIERO
UN AUMENTO DEL BATTENTE IDROSTATICO COMPORTA UN AUMENTO DELLA Teb DEL
LIQUIDO (EFFETTO SFAVOREVOLE: RIDUCE IL FLUSSO DI CALORE)
DI CONTRO, PERO’, UN AUMENTO DELLA Teb FA DIMINUIRE LA VISCOSITA’ DEL LIQUIDO,
QUINDI AUMENTANO SIA h CHE Ud (EFFETTO FAVOREVOLE)
SITUAZIONE DI COMPROMESSO:
BATTENTI DI LIQUIDO TRA 10 E 50 cm
APPARECCHIATURE:
GLI EVAPORATORI
EVAPORATORI
CIRCOLAZIONE NATURALE
TUBI ORIZZONTALI
CIRCOLAZIONE FORZATA
TUBI VERTICALI
TUBI VERTICALI LUNGHI
TUBI VERTICALI CORTI
A CALANDRIA
TIPOLOGIA PIU’ COMUNE
A PANIERE
EVAPORATORI A
TUBI VERTICALI
EVAPORATORE A PANIERE
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EVAPORATORI A CALANDRIA
EVAPORATORI A TUBI ORIZZONTALI
EVAPORATORI A TUBI VERTICALI LUNGHI
TIPO KESTNER
EVAPORATORE AGITATO
EVAPORATORE A CIRCOLAZIONE FORZATA
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EVAPORATORE A FILM CADENTE
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Fig. 5. Swenson LTV Rising-Film Evaporator with Vertical-Tube Surface Condenser
EVAPORATORE A CIRCOLAZIONE FORZATA
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TUBI VERTICALI
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Fig. 7. Swenson Forced-Circulation, Submerged-Inlet, Vertical-Tube Evaporator
EVAPORATORE A CIRCOLAZIONE FORZATA
TUBI ORIZZONTALI
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Fig. 1. Quintuple-Effect, Forced-Circulation NaCl Evaporator
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Fig. 2. Three-stage, Forced-Circulation Evaporator used to
concentrate wet process phosphoric acid
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Fig. 11. Swenson Double-Effect, Falling-Film Evaporator!
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Fig. 6. Triple-Effect, Membrane Cell, Caustic Soda Evaporator
612
Fig. 6A. Two, 4-Stage, Mechanical Recompression,
Falling-Film Evaporators!
DIMENSIONAMENTO
DEGLI EVAPORATORI
EVAPORATORI A SINGOLO EFFETTO
F = portata di alimentazione (kg/h)
Co = conc. iniziale alimentazione (%p)
W = portata vapore di rete (kg/h)
V = portata di vapor d’acqua evaporato (kg/h)
S = portata di soluzione concentrata (kg/h)
C1 = conc. soluzione concentrata (%p)
EVAPORATORI A SINGOLO EFFETTO
BILANCI DI MASSA
F=V+S
Bilancio di massa sulle portate
F * C0 = S * C1
Bilancio di massa sul soluto
EVAPORATORI A SINGOLO EFFETTO
BILANCIO DI ENERGIA
F*HF + W*λW = V*HV + S*HS
EVAPORATORI A SINGOLO EFFETTO
EQUAZIONE DI TRASFERIMENTO
(per il calcolo di A del fascio tubiero)
Q = U*A*(tW–tS)
con il Q scambiato calcolabile da
Q = W * λW
EVAPORATORI A MULTIPLO EFFETTO
UTILIZZATI PER
MIGLIORARE L’EFFICIENZA DELL’IMPIANTO
RIDURRE IL CONSUMO DI VAPORE DI RETE
IDEA DI BASE:
IL VAPORE USCENTE DALL’ALTO DELL’EVAPORATORE PUO’ ESSERE ANCORA IMPIEGATO
COME MEZZO RISCALDANTE (SI PUO’ ANCORA CONDENSARE) IN UN SECONDO
EVAPORATORE POSTO IN SERIE AL PRIMO.
NEL SECONDO EVAPORATORE VERRA’ ANCORA ALIMENTATA LA SOLUZIONE DA
CONCENTRARE CHE QUINDI SI CONCENTRERA’ NON PIU’ IN UN SOLO PASSAGGIO MA
IN DUE. E’ POSSIBILE AGGIUNGERE ANCHE UN TERZO, QUARTO, ECC. EFFETTO MA IL
NUMERO OTTIMALE E’ STIMATO IN 3-5
DUPLICE EFFETTO IN EQUICORRENTE
DUPLICE EFFETTO IN CONTROCORRENTE
Le differenze tra il duplice effetto in equicorrente
dalla controcorrente sono:
1) in equicorrente la soluzione concentrata passa
nel secondo evaporatore dove la T è inferiore, con
aumento della viscosità e diminuzione di Ud
( Coeff. Globale di scambio). Nella controcorrente
U resta pressoché costante.
2) in equicorrente lo spostamento della soluzione
dal primo al secondo evaporatore è spontaneo,
mentre per passare dal secondo al primo nel
controcorrente necessita di una pompa;
3) L’equicorrente si preferisce nella concentrazione
di prodotti organici dove non si ha l’impatto (nel
secondo evaporatore) tra la soluzione concentrata
e il vapore di rete.
4) Operando in depressione, in entrambi i casi, le
condense devono essere estratte con pompe.
Il numero ottimale di effetti varia tra 3 e 5.
EQUAZIONI DI BILANCIO: EQUICORRENTE
Bilancio di materia globale:
F = V 1 + V2 + S2 ;
F * Co = S1 * C1 = S2 * C2
(bilancio al soluto)
Bilancio di energia globale:
F * HF + W * λW = V2 * HV2 + S2 * HS2 + V1 * HV1
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EQUAZIONI DI BILANCIO: CONTROCORRENTE
Bilancio di materia globale:
F = V 1 + V2 + S1
Bilancio al soluto
F * Co = S1 * C1 = S2 * C2
hc1
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Bilancio di energia globale:
F * HF + W * λW = V2 * HV2 + S1 * HS1 + V1 * HV1
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APPARECCHIATURE AUSILIARIE
PER GLI EVAPORATORI
SCARICATORI DI CONDENSA
A GALLEGGIANTE
E’ uno scaricatore di tipo meccanico. è
costituito da un corpo cilindrico, al suo
interno è contenuto un galleggiante sferico
collegato, tramite sistema meccanico, ad
una valvola di uscita posta nella parte
inferiore dello scaricatore. Quando la
condensa entra, da un’apertura
lateralmente allo scaricatore, il vapore in
essa ancora presente fa salire il
galleggiante, che di conseguenza apre la
valvola che permette l’uscita della
condensa. Nella parte superiore c’è una
valvola che serve per eliminare gli
incondensabili (aria).
SCARICATORI DI CONDENSA
SECCHIELLO ROVESCIATO
E’ uno scaricatore di tipo meccanico; è costituito da un secchiello principale, contenente al suo
interno un altro secchiello rovesciato. Il secchiello interno è collegato ad una valvola che apre e
chiude l’uscita. La condensa entra dal basso, e il vapore in essa presente, spinge il secchiello
interno in alto, ostruendo così l’uscita. Quando tutto il secchiello è pieno di condensa, esso si
abbassa aprendo la valvola, così la condensa può uscire.
SCARICATORI DI CONDENSA A PRESSIONI BILANCIATE
E’ uno scaricatore di tipo
termostatico. È costituito da un
corpo, che al suo interno contiene un
soffietto, con una parte terminale che
chiude e apre l’otturatore posto in
basso al corpo. Il soffietto è costruito
con un materiale dilatabile.
All’ingresso del vapore, tramite
un’apertura laterale, il soffietto si
dilata andando a chiudere
l’otturatore. Appena si è formata
tutta condensa, ed essa comincia a
raffreddarsi, il soffietto si restringe e
la condensa può uscire.
SEPARATORI DI GOCCE A CICLONE
Permettono di recuperare gocce di soluzione trascinate dal vapore che si sviluppa dal
concentratore. Il vapore circola lungo l’elica del ciclone abbandonando le gocce che ritornano
all’interno del evaporatore.
CICLONE
Cortesia: stabilimento LYONDELL-BASELL (Ferrara)
CONDENSATORE BAROMETRICO
DIMENSIONAMENTO CONDENSATORE BAROMETRICO
Si tratta di calcolare
Fa portata di acqua di raffreddamento
da cui si ottiene
CONDENSATORE
BAROMETRICO
LE APPARECCHIATURE PER IL VUOTO
EIETTORI
!
(Simbolo UNICHIM)
Essi sono apparecchi che hanno lo scopo di creare il vuoto e estrarre il vapore uscente
dall’evaporatore, e convogliarlo verso un condensatore.
L’eiettore è costituito da un corpo con un tratto convergente ed uno divergente. Questo
corpo è comunicante con una camera di miscelazione, dove il vapore si miscela con il VA. Il
tratto convergente serve per aumentare la velocità di VA che passa, quindi a diminuire la
pressione, che dopo si rialza. Tutto questo crea una depressione, che serve per trascinare il
vapore (V) verso la camera di miscelazione. La pressione di VA deve essere maggiore di quella
di V. La pressione in uscita dall’eiettore deve essere maggiore di quella di V che entra perché è
più vantaggioso, cioè l’abbattimento è facile, perché è più facile abbattere un vapore caldo che
uno freddo, dal semplice fatto che a grandi differenze di temperatura (ΔT = TV – TAR)
corrispondono grandi quantità di calore scambiato.
LE APPARECCHIATURE PER IL VUOTO
POMPA AD ANELLO LIQUIDO
!
(Simbolo UNICHIM)
La pompa ad anello liquido è costituita da un corpo pompa all’interno del quale, ruota, in maniera
simile al moto di una biella (eccentrica), una girante. All’interno della cassa, dove si trova la
girante, è presente del liquido, che viene sparato alla periferia dal movimento della girante,
formando un anello liquido, che deve avere uno spessore sempre costante (praticamente è lo
strato di liquido aderente alla carcassa che funziona da guarnizione).
Il liquido dell’anello deve essere un liquido non miscibile con l’acqua. Per creare l’effetto
aspirante, i vani della girante devono diminuire in modo da comprimere il gas. È importante
mantenere bassa la temperatura onde evitare alte tensioni del vapore dell’acqua, con
conseguente vaporizzazione, data la bassa pressione.
ATTENZIONE: QUESTA POMPA NON E’ UNA MACCHINA OPERATRICE (NON
SPINGE I LIQUIDI DENTRO LE TUBAZIONI) MA SERVE SOLO PER FARE IL VUOTO
AL’INTERNO DI UNA APPARECCHIATURA !!
EIETTORI
POMPE
ANELLO
LIQUIDO
SCHEMI DI PROCESSO
(Con preriscaldamento dell’alimentazione)
(Con preriscaldamento dell’alimentazione)