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Fabio Montagnaro » 8.Applicazioni numeriche e di progetto relative ad operazioni unitarie dell'industria chimica - parte seconda


Estrazione acqua/piridina/clorobenzene (I)

Questa lezione ha lo scopo di integrare quanto sviluppato durante le lezioni ex cathedra in merito ad esercitazioni numeriche su operazioni unitarie.

Si prenda in esame la prova scritta rappresentata in Figura (sistema in flusso incrociato con clorobenzene come solvente estraente). Con le specifiche assegnate, e nell’ipotesi in cui la portata di solvente estraente in ingresso ad ogni stadio sia pari alla portata di corrente raffinata entrante nello stesso stadio, si vuole progettare il sistema.

Siano innanzitutto assegnati i dati di equilibrio (Tabella).

Elementi per lo svolgimento dell’esercizio sotto esame.

Elementi per lo svolgimento dell'esercizio sotto esame.

Dati di equilibrio, in percentuali ponderali, per il sistema acqua/piridina/clorobenzene.

Dati di equilibrio, in percentuali ponderali, per il sistema acqua/piridina/clorobenzene.


Estrazione acqua/piridina/clorobenzene (II)

In Figura si rappresenta la soluzione del problema avvalendosi dei metodi grafici su diagramma triangolare (pallini neri=dati di equilibrio corredati da linee coniugate).

Dall’applicazione congiunta dei bilanci di materia, del metodo grafico e della regola della leva, al primo stadio è F+B1=Σ1=R1+E1=4000 lb h-1; R1=1316 lb h-1 ed E1=2684 lb h-1. Al secondo stadio è R1+B2=Σ2=R2+E2=2632 lb h-1; R2=1300 lb h-1 ed E2=1332 lb h-1. Al terzo stadio è R2+B3=Σ3=R3+E3=2600 lb h-1; R3=1207 lb h-1 ed E3=1393 lb h-1. Il numero di stadi necessari è 3.

Risoluzione dell’esercizio sotto esame mediante diagramma triangolare.

Risoluzione dell'esercizio sotto esame mediante diagramma triangolare.


Estrazione acqua/piridina/clorobenzene (III)

Si prenda in esame lo stesso problema, ma con un sistema in flusso controcorrente semplice. Con le specifiche assegnate, si vogliono risolvere le condizioni di pinch trovando la portata B minima di solvente estraente e poi, maggiorando opportunamente tale portata, si vuole progettare la batteria di estrattori.

Dall’applicazione congiunta dei bilanci di materia, del metodo grafico (Figura) e della regola della leva, in condizioni di pinch è BMIN=1492 lb h-1.

Individuazione delle condizioni di pinch per l’esercizio sotto esame.

Individuazione delle condizioni di pinch per l'esercizio sotto esame.


Estrazione acqua/piridina/clorobenzene (IV)

Maggiorando opportunamente B (2040 lb h-1), si può passare alla costruzione grafica di Figura (in verde le rette necessarie alla localizzazione del polo Δ, fuori pianta).

Dall’applicazione congiunta dei bilanci di materia, del metodo grafico e della regola della leva, è innanzitutto F+B=Σ=RN+E1=4040 lb h-1; RN=940 lb h-1 ed E1=3100 lb h-1. Ciò consente di calcolare il flusso netto di materia: E1-F=Δ=B-RN=1100 lb h-1 (Δ positivo e quindi collocabile a destra del grafico), e le portate intermedie, essendo Δ=E2-R1: R1=1474 lb h-1; E2=2574 lb h-1. Iterando, è Δ=E3-R2; R2=1056 lb h-1; E3=2156 lb h-1. Il numero di stadi necessari è 3.

Risoluzione dell’esercizio sotto esame mediante diagramma triangolare.

Risoluzione dell'esercizio sotto esame mediante diagramma triangolare.


Estrazione etere diisopropilico/alcool isopropilico/acqua (I)

Si prenda in esame la prova scritta del Febbraio 2009 (Figura).

Testo della prova esame Febbraio 2009.

Testo della prova esame Febbraio 2009.


Estrazione etere diisopropilico/alcool isopropilico/acqua (II)

Risoluzione parte A. In Figura la costruzione grafica (in viola la retta necessaria alla determinazione di E1, estratto su base priva di solvente).

Dall’applicazione congiunta dei bilanci di materia, del metodo grafico e della regola della leva, è B=640 kg h-1.

Da cui F+B=Σ=R1+E1=1640 kg h-1; R1=948 kg h-1 (38% in alcool) ed E1=692 kg h-1 (23% in alcool). Pertanto è E1=166 kg h-1 (96% in alcool).

 

Risoluzione mediante diagramma triangolare della prova esame Febbraio 2009, parte A.

Risoluzione mediante diagramma triangolare della prova esame Febbraio 2009, parte A.


Estrazione etere diisopropilico/alcool isopropilico/acqua (III)

Risoluzione parte B (in Figura la costruzione grafica).

Dall’applicazione congiunta dei bilanci di materia, del metodo grafico e della regola della leva, è B=1700 kg h-1. Da cui F+B=Σ=RN+E1=2700 kg h-1; RN=469 kg h-1 ed E1=2231 kg h-1. Ciò consente di calcolare il flusso netto di materia: E1-F=Δ=B-RN=1231 kg h-1 (Δ positivo e quindi collocabile a destra del grafico). Il numero di stadi necessari è 3.

 

Risoluzione mediante diagramma triangolare della prova esame Febbraio 2009, parte B.

Risoluzione mediante diagramma triangolare della prova esame Febbraio 2009, parte B.


Estrazione acqua/acetone/tricloroetano (I)

Si prenda in esame la prova scritta del Novembre 2010 (Figura).

Testo della prova esame Novembre 2010.

Testo della prova esame Novembre 2010.


Estrazione acqua/acetone/tricloroetano (II)

La risoluzione della parte A prevede l’impostazione di condizioni di pinch (Figura).

Dall’applicazione congiunta dei bilanci di materia, del metodo grafico e della regola della leva, in condizioni di pinch è BMIN=222 kg h-1.

Risoluzione mediante diagramma triangolare della prova esame Novembre 2010, parte A.

Risoluzione mediante diagramma triangolare della prova esame Novembre 2010, parte A.


Estrazione acqua/acetone/tricloroetano (III)

Risoluzione parti B e C (in Figura la costruzione grafica).

Essendo ora B=333 kg h-1, dall’applicazione congiunta dei bilanci di materia, del metodo grafico e della regola della leva, è F+B=Σ=RN+E1=1333 kg h-1; RN=562 kg h-1 ed E1=771 kg h-1. Ciò consente di calcolare il flusso netto di materia: E1-F=Δ=B-RN=229 kg h-1 (Δ negativo e quindi collocabile a sinistra del grafico). Il numero di stadi necessari è 5.

Si può osservare infine che RN ha composizione 10% acetone, 89.5% acqua, 0.5% tricloroetano; RN ha portata 559 kg h-1 e composizione 10% acetone, 90% acqua; E1 ha composizione 53% acetone, 4% acqua, 43% tricloroetano; E1 ha portata 439 kg h-1 e composizione 93% acetone, 7% acqua.

Risoluzione mediante diagramma triangolare della prova esame Novembre 2010, parti B e C.

Risoluzione mediante diagramma triangolare della prova esame Novembre 2010, parti B e C.


Estrazione n-eptano/metilcicloesano/anilina (I)

Si prenda in esame la prova scritta rappresentata in Figura (sistema in controcorrente con riflusso semplice, con anilina come solvente estraente). Con le specifiche assegnate, si vuole caratterizzare il rapporto di riflusso minimo (condizioni di pinch), il numero minimo di stadi (riflusso infinito), ed il numero effettivo di stadi per riflusso opportunamente maggiorato.

Siano innanzitutto assegnati i dati di equilibrio (Tabella).

Elementi per lo svolgimento dell’esercizio sotto esame.

Elementi per lo svolgimento dell'esercizio sotto esame.

Dati di equilibrio, in percentuali ponderali, per il sistema n-eptano/metilcicloesano/anilina.

Dati di equilibrio, in percentuali ponderali, per il sistema n-eptano/metilcicloesano/anilina.


Estrazione n-eptano/metilcicloesano/anilina (II)

Si cominci con l’individuazione delle condizioni di pinch (Figura), per questo particolare caso di sistema a lacuna di miscibilità aperta.

Dall’applicazione congiunta dei bilanci di materia, del metodo grafico e della regola della leva, il rapporto di riflusso in queste condizioni è R0/D=0.4, cui evidentemente corrisponde un numero infinito di stadi.

Individuazione delle condizioni di pinch per l’esercizio sotto esame.

Individuazione delle condizioni di pinch per l'esercizio sotto esame.


Estrazione n-eptano/metilcicloesano/anilina (III)

L’estremo comportamentale opposto è rappresentato dall’imporre R0/D→+∞ (cioè numero minimo di stadi). La corrispondente costruzione grafica è riportata in Figura.

Dall’applicazione congiunta dei bilanci di materia, del metodo grafico e della regola della leva, il numero minimo di stadi è pari a 5.

 

Individuazione delle condizioni di riflusso infinito per l’esercizio sotto esame.

Individuazione delle condizioni di riflusso infinito per l'esercizio sotto esame.


Estrazione n-eptano/metilcicloesano/anilina (IV)

Maggiorando opportunamente il rapporto di riflusso (R0/D=1.5), il sistema si risolve come in Figura.

Risoluzione dell’esercizio sotto esame mediante diagramma triangolare.

Risoluzione dell'esercizio sotto esame mediante diagramma triangolare.


Estrazione n-eptano/metilcicloesano/anilina (V)

Dall’applicazione congiunta dei bilanci di materia, del metodo grafico e della regola della leva, si deve considerare il seguente sistema di equazioni:

\frac{B_{E}}{D}=15.7 \hspace{1 cm} \text{(1)}

F+B=R_{N}+D+B_{E} \hspace{1 cm} \text{(2)}

0.67F=0.18R_{N}+0.92D \hspace{1 cm} \text{(3)}

B=0.08R_{N}+B_{E} \hspace{1 cm} \text{(4)}

che risolte danno B=10311 kg h-1; BE=10281 kg h-1; D=655 kg h-1; RN=375 kg h-1. I due flussi netti di materia risultano E1-R0=Δ=BE+D=10936 kg h-1 e Δ’=Δ-F=B-RN=9936 kg h-1. Il numero di stadi necessari è 6, suddivisi in 1 stadio nella sezione di testa, lo stadio di alimentazione e 4 stadi nella sezione di coda.

Estrazione acqua/acido acetico/metil isobutil chetone

Si prenda in esame la prova scritta del Febbraio 2014 (Figura).

Si osservi innanzitutto che, date le ipotesi della traccia, la portata d’acqua nella corrente R1 deve essere pari ad 870 kg h-1, e la portata di chetone nella corrente E1 deve essere pari a 1745 kg h-1.

A questo punto, tenendo presente la relazione di equilibrio e il vincolo di bilancio di materia sull’acido, si può scrivere il sistema (AAE1=portata di acido acetico in E1AAR1=portata di acido acetico in R1):

\frac{AAE_{1}}{1745}=2 \left( \frac{AAR_{1}}{870}\right)^{2}+0.54\frac{AAR_{1}}{870} \hspace{1 cm} \text{(5)}

AAE_{1}+AAR_{1}=130 \hspace{1 cm} \text{(6)}

da cui si ottiene che la portata di acido nella corrente R1 ed E1 vale, rispettivamente, 55.64 kg h-1 e 74.36 kg h-1. Pertanto, la corrente raffinata è composta dal 6.0% in acido (resto, acqua), e la corrente estratta è composta dal 4.1% in acido (resto, chetone). La percentuale di estrazione è infine pari a 74.36/130=57.2%.

Testo della prova esame Febbraio 2014.

Testo della prova esame Febbraio 2014.


Assorbimento – caratteristiche di riempimenti commerciali.

Si riportano in Tabella, in funzione del tipo di riempimento, caratteristiche di interesse quali il grado di vuoto ε e la superficie specifica a.

Alcune caratteristiche di interesse per riempimenti in torri di assorbimento.

Alcune caratteristiche di interesse per riempimenti in torri di assorbimento.


I materiali di supporto della lezione

Green, D.W., Perry, R.H. Perrys Chemical Engineers Handbook, Ed. McGraw-Hill, 2007.

McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P. Unit Operations of Chemical Engineering, Ed. McGraw-Hill, 2001.

Foust, A.S., Wenzel, L.A., Clump, C.W., Maus, L., Andersen, L.B. I Principi delle Operazioni Unitarie, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, 1967.

McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P. Unit Operations of Chemical Engineering, Ed. McGraw-Hill, 2001.

Foust, A.S., Wenzel, L.A., Clump, C.W., Maus, L., Andersen, L.B. I Principi delle Operazioni Unitarie, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, 1967.

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