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OPERAZIONI UNITARIE TRA FASI FLUIDE

Le operazioni unitarie tra fasi fluide vengono utilizzate per separare i componenti checostituiscono miscele omogenee, gassose o liquide. L’operazione di separazione

presuppone un trasferimento di materia tra fasi fluide a contatto (gas-liquido, vapore-liquido, o liquido-liquido): tale trasferimento avviene all’interfaccia tra le fasi ed è favoritoda un’ampia superficie di contatto. Le apparecchiature utilizzate per le operazioniunitarie sono quindi configurate in modo da consentire una elevata superficieall’interfaccia tra le fasi.

Il trasferimento di materia in molti casi è accompagnato da un trasferimento di calore,quando i componenti cambiano di fase (ossia vaporizzano o condensano) di cui si devetenere conto nello scegliere la configurazione degli apparecchi

Le operazioni unitarie tra le fasi fluide comprendono le seguenti tipologie:

• Assorbimento: una miscela gassosa è messa a contatto con una fase liquida (detta

solvente) in grado di assorbire preferenzialmente uno o più dei suoi componenti. Adesempio, si può sottoporre ad assorbimento una corrente di azoto che contengatoluene utilizzando un liquido organico per rimuovere il toluene dal gas. Si ottieneuna miscela gassosa in cui il tenore di toluene è diminuito, ed una fase liquida checomprende il liquido organico ed il toluene.

• Stripping (desorbimento): costituisce l’operazione inversa rispetto all’assorbimento.Una miscela liquida è messa a contatto con una fase gassosa, detta gas (o vapore)di stripping, in grado di desorbire uno o più dei suoi componenti: si ottiene una faseliquida impoverita di alcuni dei suoi componenti iniziali ed una fase gassosa checomprende il gas di stripping ed i componenti desorbiti. Ad esempio, si puòsottoporre a stripping con vapor d’acqua la miscela liquido organico-toluene,ottenuta dall’assorbimento dell’esempio precedente: in tal modo si ottiene liquidoorganico depurato, da riutilizzare nell’assorbimento, ed una corrente gassosa vapord’acqua e toluene, che si può condensare e separare per decantazione, dato cheacqua e toluene sono tra loro praticamente immiscibili.

• Distillazione: una miscela liquida viene parzialmente vaporizzata, creando uncontatto tra una fase vapore ed una liquida: la fase vapore è maggiormente ricca deicomponenti con tensione di vapore più alta (più volatili), la fase liquida èmaggiormente ricca dei componenti con tensione di vapore più bassa (menovolatili). Procedendo con successive vaporizzazioni e condensazioni si ottiene unafase vapore in cui sono presenti prevalentemente i componenti più volatili ed una

fase liquida in cui sono presenti prevalentemente i componenti meno volatili. Adesempio, si può sottoporre a distillazione una miscela di composti aromatici,costituita da toluene e da xileni: il toluene, che è il composto più volatile sirecupererà condensando la fase vapore uscente dall’apparecchio, mentre gli xileni,che sono i composti meno volatili, costituiranno la fase liquida finale.

• Umidificazione: una fase gassosa ed una fase liquida sono poste a contatto e partedelle fase liquida passa nella fase gassosa. Ad esempio, nel contatto tra aria,relativamente fredda, ed acqua, relativamente calda, l’aria si umidifica, ossia partedell’acqua si trasferisce dal liquido al gas e l’acqua restante si raffredda.

• Deumidificazione: costituisce l’operazione inversa rispetto all’umidificazione. Una

fase gassosa ed una liquida sono poste a contatto e parte delle fase gassosa passapassa nella fase liquida. Ad esempio, nel contatto tra aria, relativamente calda, edacqua, relativamente fredda, l’aria si deumidifica, ossia parte del vapor d’acqua si



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trasferisce dal gas al liquido.

• Estrazione liquido-liquido: una miscela liquida viene messa a contatto con una faseliquida (detta solvente) con essa immiscibile. Uno o più componenti della miscelaliquida si trasferiscono nel solvente, formando una fase liquida detta estratto mentrela miscela liquida residua costituisce una seconda fase liquida, immiscibile con la

prima, detta raffinato. Le due fasi si separano per decantazione a gravità ed esconoseparatamente dall’apparecchio. Ad esempio, si può estrarre la dimetilformammideda una miscela acquosa utilizzando come solvente il benzene: si otterrà una faseestratto costituita da benzene e dimetilformammide ed una fase raffinato costituitada acqua e dalla dimetilformammide residua.

Le operazioni di trasferimento tra fasi fluide sono governate dalle relazioni di equilibriotra le fasi, dai bilanci di materia e di energia (calore), dal trasferimento tra le fasi edall’efficienza dell’apparecchiatura utilizzata.

ASSORBIMENTO E STRIPPING

Assorbimento

L’assorbimento è l’operazione in cui si realizza un trasferimento di materia dalla fasegassosa a quella liquida. Ipotizziamo una miscela gassosa costituita dai componenti A eB e mettiamola a contatto con un liquido S (il solvente) che sia in grado di sciogliere A,ma non B. Al termine dell’operazione la miscela gassosa avrà una concentrazione di Apiù bassa (al limite sarà costituita solo da B puro), mentre si sarà formata una miscelaliquida di A ed S (vedi figura 87).

Figura 87

I presupposti dell’operazione di assorbimento sono che non ci sia trasferimento dallafase liquida a quella gassosa, ossia che la tensione di vapore del liquido S siatrascurabile (o molto bassa) nelle condizioni operative adottate.

Equilibrio gas-liquido

L’equilibrio gas-liquido per l’i-esimo componente presente sia in fase gassosa che in

fase liquida si può esprimere con la relazione:i i i x k y ⋅=

dove

Gas A + B

Li uido S + A

Gas B con tracce di A

Li uido S



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yi = frazione molare del componente i nella fase gassosa

ki = costante di equilibrio del componente i

xi = frazione molare del componente i nella fase liquida

La costante di equilibrio è in realtà funzione della pressione, della temperatura e della

composizione: la relazione precedente dà quindi luogo, sul piano x, y ad una curva. Alcrescere della costante di equilibrio la curva presenta una pendenza più pronunciata ediminuisce la solubilità del componente considerato nel liquido (per i componenti

praticamente insolubili si può assumere ki = ∞, ossia xi = 0).

L’effetto della pressione e della temperatura sull’equilibrio è mostrato nella figura 88: lapendenza della curva diminuisce (ossia la solubilità del componente aumenta)all’aumentare della pressione ed al diminuire della temperatura. Dal punto di vistatermodinamico è quindi conveniente effettuare l’assorbimento a bassa temperatura (inpratica, a temperatura ambiente) ed in pressione.

Figura 88 [11]

Per componenti con comportamento ideale, la costante di equilibrio non dipende dallacomposizione e la curva di equilibrio diviene quindi una retta. In questo caso il valoredella costante di equilibrio si può ricavare direttamente dalla conoscenza della costantedi Henry, che si trova tabulata in funzione della temperatura per vari sistemi gas-liquido:

P

T H k i

i

)(*

=

dove

Hi*(T) = costante di Henry, alla temperatura T, del componente considerato

P = pressione del sistema (atm)I valori della costante di Henry per la solubilità di alcuni prodotti in acqua sono riportatinella tabella seguente [11].

Costante di Henry (atm) per la solubilità in acquaProdotto

T=0°C T=10°C T=20°C T=30°C T=40°C T=50°C

Acido solfidrico 267 380 500 615 740 870

Ammoniaca 2.0 2.4 2.8 3.1 3.4 -

Anidride carbonica 715 1090 1470 1850 2270 2640

Anidride solforosa 16.1 22.0 30.0 41.6 58.8 80.9

Cloro 222 415 555 667 769 870

Tra i composti in tabella l’ammoniaca è quello più solubile.



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Operazioni di assorbimento

La portata minima di liquido necessario per ridurre la concentrazione del componentenella fase gassosa dal valore iniziale a quello finale desiderato, dipende, oltre che datali valori, dall’eventuale presenza del componente nel liquido utilizzato (probabile se illiquido viene ricircolato dopo un’operazione di stripping) e dall’andamento della curva diequilibrio. La portata necessaria sarà tanto più bassa quanto maggiore è la solubilitàdel componente nel liquido.

Nella solubilizzazione di un componente gassoso si ha generalmente lo sviluppo dicalore: in molti casi, tuttavia, i quantitativi di calore sviluppati sono assai modesti e sipuò considerare l’operazione come isoterma, il che è particolarmente comodo poichéconsente di riferirsi ad un’unica curva di equilibrio. In altri casi, invece, il caloresviluppato può essere assai notevole, come accade abbastanza frequentementequando il liquido assorbente dà luogo ad una vera e propria reazione chimica con ilcomponente assorbito (per esempio nell’assorbimento di acido cloridrico in acqua). Il

calore che si sviluppa va prevalentemente a riscaldare il liquido, che, specie se la suaportata è bassa può innalzare di molte decine di gradi la propria temperatura. Perlimitare questo fenomeno dannoso si può cercare di asportare calore dall’apparecchio,e/o aumentare la portata del liquido: ciò può essere fatto, ad esempio, ricircolando illiquido dopo averlo refrigerato in uno scambiatore di calore esterno.Per quanto riguardala pressione, generalmente si può assumere che essa si mantenga costante nel corsodell’operazione.

Le operazioni di assorbimento sono utilizzate soprattutto per purificare correnti gassose(aria, azoto, gas naturale, ecc.) da componenti indesiderati (NH3, H2S, ecc.) che sono disolito presenti a basse concentrazioni.

Stripping

Lo stripping, come già detto, rappresenta l’inverso dell’operazione di assorbimento,poiché implica il trasferimento di un componente dalla fase liquida a quella gassosa.

Proseguendo con l’esempio fatto per l’assorbimento, la miscela liquida formata da S edA può essere avviata ad una operazione di stripping per separare A, che sarà inviatoalla sua destinazione finale o smaltito, da S che potrà essere inviato nuovamenteall’assorbimento. Nello stripping viene inviata una fase gassosa V che è in grado di“strippare” dal liquido il componente solubilizzato A, ma non S: quindi da questaoperazione si ottiene il liquido S sul fondo e la fase gassosa costituita da A e V in testa(vedi figura 89). Quest’ultima miscela presenta caratteristiche diverse da quella di A e Bche costituiva il prodotto di partenza: può essere utilizzata o smaltita tal quale oppureessere separata nei suoi costituenti. In quest’ultima eventualità la separazione deverisultare semplice ed economica. Ciò si ottiene se la fase gassosa V è costituita da unvapore, poiché in tal caso la separazione si può realizzare direttamente percondensazione (vedi figura 89): la fase liquida sarà costituita dal solo componente V,condensato, mentre quella gassosa, visto che si tratta di una condensazione inpresenza di incondensabili, sarà costituita dal componente A saturo di vapori delcomponente V. Il componente V può essere costituito da vapor d’acqua, se esso èimmiscibile con A ed S, o dal componente S stesso.

Anche nelle operazioni di stripping si fa riferimento all’equilibrio gas-liquido visto in

precedenza. In questo caso, tuttavia, poiché il trasferimento è dalla fase liquida alla fasegassosa, le operazioni di stripping sono favorite da condizioni operative opposterispetto a quelle di assorbimento, ossia da alta temperatura e bassa pressione.



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Figura 89

Normalmente si opera a pressione atmosferica ed a temperature maggiori di quellaambiente. Operazioni di stripping

Le operazioni di stripping sono tipicamente abbinate a quelle di assorbimento in quantoconsentono di recuperare il solvente, che così viene utilizzato in ciclo chiuso. Sonocomunque previsti reintegri periodici del solvente per rimpiazzare i piccoli quantitativi divapori che inevitabilmente fuoriescono insieme alla fase gassosa. Date le diversecondizioni operative adottate per l’assorbimento e per lo stripping, il passaggio del

liquido dalla colonna di assorbimento a quella di stripping può avvenirespontaneamente, mentre è necessario un pompaggio per rinviarlo dalla colonna distripping a quella di assorbimento (vedi figura 90). Inoltre, il liquido va riscaldato primadi essere inviato allo stripping e raffreddato prima di ritornare all’assorbimento: sepossibile, per questa operazione viene effettuato un recupero termico facendoscambiare calore tra loro alle due correnti liquide in uscita dall’assorbimento e dallostripping.

Figura 90



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DISTILLAZIONE La distillazione è un’operazione in cui si realizza un trasferimento di materia,scambievole, tra una fase vapore ed una liquida: in questo caso non si una faseestranea alla miscela di partenza, a cui viene fornito o sottratto calore. Ciò èvantaggioso, in quanto non si rendono necessarie ulteriori separazioni in cui sianocoinvolti prodotti diversi da quelli costituenti la miscela originaria, anche se avviene aspese di notevoli consumi energetici.

La distillazione costituisce probabilmente l’operazione di separazione maggiormenteutilizzata negli impianti dell’industria di processo.

Equilibrio liquido-vapore

Nella distillazione è coinvolto l’equilibrio liquido-vapore, espresso, per l’i-esimocomponente della miscela, dalla relazione:

i i i x k y ⋅=

doveyi = frazione molare del componente i nella fase vapore

ki = costante di equilibrio del componente i

xi = frazione molare del componente i nella fase liquida

Questa relazione è formalmente analoga a quella dell’equilibrio gas-liquido, ma lacostante di equilibrio viene calcolata in maniera diversa. La costante di equilibrio èfunzione della pressione, della temperatura e della composizione ed il suo valoreaumenta all’aumentare della temperatura ed al diminuire della pressione.

Per un sistema ideale, la costante di equilibrio è indipendente dalla composizione e larelazione di equilibrio diviene:

i si

i i i x P

T p x k y

)(=⋅=

dove

psi(T) = tensione di vapore del componente i alla temperatura T (atm)

P = pressione del sistema (atm)

Questa relazione è valida per ognuno dei componenti della miscela. L’equilibrio liquido-vapore di una miscela binaria che si trovi ad una certa pressione, viene rappresentatomediante diagrammi temperatura-composizione, come quello di figura 91. Sull’assedelle ascisse è riportata la composizione di uno dei componenti, mentre quella dell’altro

si ricava per differenza, poiché la somma delle frazioni molari è pari a 1.Per un sistema ideale (come quello rappresentato in figura 91) il diagramma ha laclassica forma “a lente”: al di sotto della lente (zona a bassa temperatura) la miscela sitrova in stato liquido, al di sopra della lente (zona ad alta temperatura) in stato vapore,mentre all’interno della lente coesistono una fase liquida ed una vapore in equilibrio traloro. Le composizioni che si leggono sulla curva che delimita la lente inferiormente sonoquindi quelle del liquido (x), mentre quelle che si leggono sulla curva che delimita lalente superiormente sono quelle del vapore (y). Il diagramma di figura 91 è in funzionedella composizione del componente 1. In corrispondenza del valore x=y=0 le curve siuniscono in un punto, a dare la temperatura di ebollizione del componente 2 e,

analogamente, in corrispondenza del valore x=y=1 si legge la temperatura di ebollizionedel componente 1. Il componente che bolle a temperatura superiore (nella figura 91, ilcomponente 2) è detto altobollente, quello che bolle a temperatura inferiore (nella figura91, il componente 1) bassobollente.



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Figura 91 [11]

Principio di funzionamento della distillazione

La distillazione sfrutta la zona del diagramma posta all’interno della lente, ossia quellain cui coesistono una fase liquida ed una vapore in equilibrio, come sarà chiarito megliocon l’esempio seguente, in cui la simbologia utilizzata fa riferimento alla figura 94.Ipotizziamo di avere una miscela liquida con composizione x0 e di riscaldarla fino allatemperatura TA, portandosi nelle condizioni rappresentate sul diagramma dl punto M’.Questo punto si trova all’interno della zona di coesistenza liquido-vapore: tracciando

una retta orizzontale (ossia una isoterma) all’intersezione con le due curve chedelimitano la lente si individuano i punti LA e VA, rappresentativi rispettivamente dellecomposizioni delle fasi liquide (xA) e vapore (yA) in equilibrio tra loro. Con una semplicecostruzione grafica, che va sotto il nome di “regola della leva”, è pure possibiledeterminare i quantitativi molari relativi di fase liquida e fase vapore presente:

A

A

A

A

V M segmento lunghezza

LM segmento lunghezza

liquido

vapore

'

'=

Nel caso in esame, infatti, il punto M’ si trova più vicino alla curva del liquido che non aquella del vapore (ossia il liquido è presente in quantità maggiore) e, infatti, il segmentoM’LA è più corto di quello M’VA.

Proseguendo con l’esempio, il liquido LA che si è ottenuto ha una composizione piùricca di componente 2 (ossia di quello altobollente) rispetto alla miscela originaria,mentre il vapore VA è più ricco di componente 1. Prendiamo adesso il vapore VA eraffreddiamolo fino alla temperatura TB: esso subirà una condensazione parziale e siporterà nelle condizioni rappresentate dal punto M’’, e sarà quindi costituito da una faseliquida LB ed una fase vapore VB in equilibrio tra loro. La composizione del vapore VB,yB, si è ulteriormente avvicinata a quella del componente 1 puro. Analogamente, seprendiamo il liquido LA e lo riscaldiamo fino a portarlo alla temperatura TC esso subiràuna vaporizzazione parziale e si porterà nelle condizioni rappresentate dal punto M’’’,dando luogo ad una fase liquida LC ed una fase vapore VC in equilibrio tra loro: la

composizione del liquido LC si è avvicinata a quella del componente 2 puro.Da questo esempio risulta evidente che, ripetendo sulla fase liquida operazioni diparziale vaporizzazione, ci si avvicina alla composizione del componente altobollente e



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che, analogamente, ripetendo sulla fase vapore operazioni di parziale condensazione cisi avvicina alla composizione del componente bassobollente. La fase liquida finale chesi ottiene è detta residuo, mentre la fase vapore finale (che generalmente vienecondensata completamente all’uscita dall’apparecchio) è detta distillato.

Volatilità relativa

Nelle operazioni di distillazione, per esprimere la tendenza di un componente ad

accumularsi nel distillato o nel residuo si utilizza il concetto di volatilità relativa, αij, cheesprime la volatilità del componente i rispetto al componente j:

j

i ij

k

k =α

Se αij è maggiore di 1, il componente i è più volatile del componente j e si raccoglie neldistillato. Inoltre la volatilità relativa fornisce una prima informazione riguardo allaseparazione dei due componenti che sarà tanto più agevole quanto più è elevato il

valore della volatilità relativa del componente più volatile rispetto al meno volatile.Per sistemi ideali la volatilità relativa è data direttamente dal rapporto delle tensioni divapore ed è quindi più volatile il componente che ha la tensione di vapore maggiore(ovvero il più basso bollente). La volatilità relativa è perciò funzione della temperatura(come le tensioni di vapore) e non è quindi costante nel corso dell’operazione, dato chela temperatura va diminuendo man mano che ci si avvicina alla composizione deldistillato e va aumentando man mano che ci si avvicina alla composizione del residuo.Tuttavia, le variazioni di volatilità relativa con la temperatura non comportano inversionitra componente più volatile e meno volatile.

I componenti più volatili sono spesso indicati anche come “leggeri” e quelli meno volatili

come “pesanti”: in questo caso i termini “leggero” e “pesante” non hanno nulla a chevedere con le densità di questi componenti.

La posizione e la forma della lente caratteristica dell’equilibrio liquido-vapore mutano alvariare della pressione: un aumento della pressione causa una traslazione delle curveverso valori di temperatura più alti ed un appiattimento della lente, mentre una riduzionedi pressione trasla la lente verso valori di temperatura più bassi e rende la lente più“panciuta”. Ne consegue che una riduzione di pressione comporta un aumento dellavolatilità relativa e quindi una separazione più agevole, mentre un aumento di pressionediminuisce la volatilità relativa rendendo meno agevole la separazione. Sulla sceltadella pressione operativa pesano però anche altri fattori, come sarà meglio chiarito nelseguito.

Sistemi non ideali

I sistemi non ideali sono quelli in cui la costante di equilibrio dipende, oltre che dapressione e da temperatura, anche dalla composizione. In alcuni casi ciò non comportavariazioni nella forma della lente caratteristica dell’equilibrio liquido-vapore, ma se lanon idealità è marcata si può avere la formazione di azeotropi. Gli azeotropi possonoessere di tipo omogeneo, quando si ha comunque la formazione di una sola fase liquida(ad esempio per il sistema acqua-alcool etilico), oppure eteorogeneo quando siformano due fasi liquide tra loro immiscibili (ad esempio per il sistema acqua-benzene).Nelle figure 92 sono rappresentati azeotropi omogenei e nella figura 93 un azeotropo

eterogeneo: in entrambe la composizione dell’azeotropo è quella del punto L, in cui lecurve del liquido e del vapore si uniscono, a significare che la composizione del vaporecoincide con quella del liquido in equilibrio con esso. Per quanto riguarda gli azeotropi



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omogenei, esistono azeotropi “di massima” in cui la temperatura dell’azeotropo è lamassima temperatura presentata dal sistema (figura 92a, relativa al sistema acetone-cloroformio), e “di minima”, ossia corrisponde alla minima temperatura del sistema: ciòè più frequente per gli azeotropi omogenei (figura 92b, relativa al sistema solfuro dicarbonio-acetone) e costituisce la norma per quelli eterogenei (figura 93, relativa al

sistema acqua-isobutanolo).

Figura 92 [15]

Figura 93 [15]

La presenza di un azeotropo pone seri problemi alla separazione dei componenti.

Infatti, sia che la composizione di partenza sia situata a sinistra o a destradell’azeotropo, il distillato (supposto che l’azeotropo sia di minima) sarà costituitodall’azeotropo ed il residuo da uno dei due composti, ma non sarà possibile recuperarel’altro, che si trova “al di là” della composizione dell’azeotropo. Per “scavalcare”l’azeotropo e recuperare entrambi i componenti, occorre utilizzare due distinteoperazioni di distillazione, operanti a pressione diversa, sfruttando il fatto che lacomposizione corrispondente all’azeotropo varia al variare della pressione. Nella primaoperazione di distillazione si ottiene come residuo uno dei componenti e come distillatol’azeotropo: quest’ultimo viene alimentato ad una seconda operazione di distillazione,che ha luogo a pressione diversa. Da questa operazione si ottiene come residuo l’altrocomponente e come distillato l’azeotropo alla pressione della seconda distillazione, cheviene ricircolato alla prima colonna di distillazione, in cui entra insieme all’alimentazione.

(a) (b)



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Operazioni di distillazione

Nelle realizzazione delle operazioni di distillazione occorre procedere attraverso unasuccessione di stadi di vaporizzazione parziale del liquido e condensazione parziale delvapore. La maniera migliore per realizzarla è quella di collegare tra loro questi stadi, incontrocorrente, in modo che il vapore che si sviluppa da ogni stadio salga a quello

successivo, che si trova a temperatura inferiore, arricchendosi man mano delcomponente più volatile, mentre il liquido residuo da ogni stadio scende su quellosottostante, che si trova a temperatura superiore, arricchendosi man mano delcomponente meno volatile. In generale (come nell’esempio visto in precedenza),l’alimentazione, avrà una composizione vicina a qualcuno degli stadi intermedi: essaverrà quindi alimentata (eventualmente dopo averla parzialmente vaporizzata, seliquida) allo stadio con composizione più prossima alla propria.

Figura 94 [11]

Per realizzare la controcorrente tra liquido e vapore in tutti gli stadi sarà però necessarioavere anche un flusso di liquido al primo stadio (quello a temperatura più bassa) ed unflusso di vapore dall’ultimo stadio (quello a temperatura più alta). Queste correnti diliquido e di vapore vengono ottenute, rispettivamente, a spese del distillato e delresiduo (vedi figura 94). Il vapore uscente dal primo stadio, ossia in testa, viene infatticondensato nel condensatore C: una parte del liquido ottenuto va a costituire il distillatoD, mentre un’altra parte viene ricircolata al primo stadio a costituire il cosiddetto riflusso,L0. Analogamente, il liquido che arriva all’ultimo stadio, ossia in fondo, esce in parte dalfondo come residuo (in figura 94, la corrente L’4), mentre in parte viene vaporizzato edinviata allo stadio precedente. In figura 94, la vaporizzazione viene effettuata mediante

l’invio di un fluido riscaldante in un serpentino posto nel liquido dell’ultimo stadio: nelleapparecchiature industriali è tuttavia più frequente l’utilizzo di un ribollitore esterno allacolonna in cui viene vaporizzato il liquido proveniente dall’ultimo stadio.



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Si definisce rapporto di riflusso E, il rapporto tra le portate molari di riflusso L0 e didistillato D:

D

LE 0=

Il suo valore può essere superiore o inferiore all’unità: l’entità del rapporto di riflussodefinisce, tramite i bilanci di materia e di calore sia la portata del riflusso liquido in testache quella di vapore al fondo.

Le operazioni di distillazione vengono effettuate in colonne di distillazione,schematizzate come mostra la figura 95: la miscela da separare (alimentazione) entradi norma nella parte centrale della colonna, come liquido, miscela liquido-vapore ovapore. In testa alla colonna viene condensato il vapore ed il condensato si raccoglie inun serbatoio, detto accumulatore di riflusso, da cui sono prelevati il distillato ed ilriflusso: quest’ultimo viene inviato in testa alla colonna mediante una pompa. In fondoalla colonna viene prelevato il residuo, mentre parte del liquido di fondo vienevaporizzato in un ribollitore e reimmesso al fondo.

Figura 95 [11]

Man mano che si procede lungo la colonna dall’alto verso il basso variano lecomposizioni (va aumentando la concentrazione dei componenti meno volatili),

aumenta la temperatura, poiché tali componenti bollono a temperatura più alta, edaumenta anche, seppure non di molto, la pressione, per effetto delle perdite di carico.La temperatura più alta si ha quindi al fondo e quella più bassa in testa: tali temperaturesono funzione della pressione operativa che è, convenzionalmente, quella misurata intesta.

La separazione migliora quanto più è bassa la pressione operativa per cui, da questosolo punto di vista, potrebbe essere conveniente lavorare sotto vuoto: tuttavia, questasoluzione comporta problemi meccanici alla struttura dell’apparecchio e richiedediametri molto grandi, poiché la densità del vapore diminuisce al diminuire dellapressione e sono necessarie sezioni maggiori per far passare le portate di vapore

necessarie. Molto spesso la pressione operativa viene quindi fissata pari a quellaatmosferica, a meno che non vi siano altre considerazioni che suggeriscano diinnalzarla o ridurla.

D

R



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Tali considerazioni sono per lo più legate alla disponibilità di adeguati fluidi refrigeranti,per effettuare la condensazione in testa, e riscaldanti, per il ribollitore di fondo. Infatti, sela temperatura in testa è eccessivamente bassa (al di sotto di circa 45°C) non è piùpossibile utilizzare come refrigerante al condensatore acqua industriale e si devonoutilizzare fluidi più costosi (acqua refrigerata, salamoie, fluidi frigoriferi). In tal caso può

risultare conveniente aumentare la pressione operativa, fino a portare il valore dellatemperatura di condensazione in testa almeno a 50°C, se si usa un condensatore adacqua industriale, o a 65°C se si utilizza un condensatore ad aria. Occorre peròricordare che un aumento di pressione comporta anche un aumento della temperaturaal fondo e verificare quindi la disponibilità di un fluido termico alla temperaturanecessaria.

Un altro problema potrebbe essere invece quello di una temperatura di fondoeccessivamente alta, tale da richiedere fluidi termici speciali (o la sostituzione delribollitore con un forno) o tale da poter causare danni termici (crackizzazioni,polimerizzazione, ecc.) allo stesso prodotto di fondo: in tal caso si può ridurre lapressione operativa.

Una colonna di distillazione consente la separazione, pressoché completa, di duecomponenti: ne consegue che se i componenti da separare sono più di due occorreprevedere più colonne di distillazione (due colonne per tre componenti, tre colonne perquattro componenti, ecc.). In alcuni casi, tuttavia, non interessa separare componentipuri, ma è sufficiente ottenere miscele di prodotti con caratteristiche di volatilità similari,come accade ad esempio nella raffinazione del petrolio, in cui molti dei “prodotti”(benzina, gasolio, olio combustibile, ecc.) sono costituiti da miscele. In questo caso èpossibile effettuare la separazione in una sola colonna (quella di “topping”) prelevando ivari prodotti a diversa altezza lungo la colonna (vedi figura 96), sulla base dei profili ditemperatura e composizione che si hanno lungo l’altezza dell’apparecchio.

Figura 96 [15]



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Nella figura 96 le correnti provenienti dai tagli laterali sono purificate in piccole colonnelaterali poste a fianco di quella principale.

Scambio termico nella distillazione

L’operazione di distillazione richiede la presenza di due apparecchiature di scambiotermico: un condensatore per il distillato ed un ribollitore per il residuo. I quantitativi dicalore scambiati dai due apparecchi dipendono dall’entità del riflusso e del vapore alfondo e sono tra loro simili, ma i livelli termici a cui si deve realizzare lo scambio termicosono diversi, come è diversa la temperatura del primo stadio rispetto a quelladell’ultimo.

Come condensatori per le colonne di distillazione si utilizzano air-cooler refrigerati adaria e condensatori a fascio tubiero orizzontale, con condensazione lato mantello: illiquido uscente viene inviato ad un serbatoio ad asse orizzontale, detto accumulatore diriflusso, da cui viene prelevato il riflusso, reimmesso in colonna mediante una pompa,ed il distillato, inviato a stoccaggio o alle lavorazioni successive. L’accumulatore di

riflusso contiene liquido al suo punto di ebollizione e quindi, come visto nel capitolodedicato ai sistemi di tubazioni, occorre fornire un battente adeguato alla pompacentrifuga di rilancio del riflusso in colonna per evitare problemi di cavitazione. Questoserbatoio è quindi posto su una struttura sopraelevata di 3-5 rispetto alla quota delterreno dove si trova la pompa. La medesima struttura alloggia il condensatore, in unpiano posto immediatamente al di sopra dell’accumulatore di riflusso. La tubazione, digrosso diametro, che porta il vapore dalla testa della colonna di distillazione alcondensatore corre lungo la colonna fissata mediante supporti.

In alcuni casi, in cui per esigenze di processo non viene richiesto un distillato in faseliquida, il condensatore di testa può essere un condensatore parziale (figura 97) che

provvede alla sola condensazione del riflusso: ciò accade, per esempio, quando ildistillato costituisca l’alimentazione di un’altra operazione di distillazione.

Figura 97 [11]

Come ribollitori per le colonne di distillazione si utilizzano sia le tipologie a termosifoneverticale che quelle Kettle, solitamente con circolazione a termosifone naturale; ove ilivelli di temperatura lo richiedano si possono anche utilizzare forni. Poiché nel fondodella colonna di distillazione è presente liquido bollente, tale livello dovrà trovarsi ingenerale anch’esso 3-5 m al di sopra della quota del terreno su cui è posta la pompacentrifuga del residuo, per le stesse ragioni viste per l’accumulatore di riflusso. La quotadel pelo libero nel fondo, d’altra parte, influenza anche le quote a cui porre i ribollitori, sesi utilizza, come si fa usualmente, la circolazione a termosifone naturale. Ciò spiega

ulteriormente l’esigenza di mantenere corto il fascio tubiero del ribollitore a termosifoneverticale, poiché un fascio tubiero lungo costringerebbe a rialzare non solo il ribollitore,ma anche la colonna di distillazione. Quando si utilizza un ribollitore Kettle, il residuo



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viene prelevato direttamente al di là dello stramazzo del Kettle (figura 98a) mentrequando si utilizza un ribollitore a termosifone il residuo viene generalmente prelevatodirettamente dal fondo colonna (figura 98b). In alcuni casi al fondo della colonna non siutilizza un ribollitore esterno, ma un serpentino posto al suo interno, oppure si alimentadirettamente al fondo vapore ottenuto per altra via: quest’ultimo caso si può verificare,

ad esempio, se il residuo è costituito da acqua ed è possibile inviare al fondodirettamente vapor d’acqua disponibile nell’impianto.

Figura 98 [11]

Abbastanza frequentemente si verifica il caso in cui il distillato o il residuo debbanoessere ulteriormente refrigerati prima di essere avviati a stoccaggio o alle lavorazionisuccessive. Ove possibile e conveniente si può procedere a recuperi termici, sfruttandoil calore ceduto da queste correnti per riscaldare altre correnti dell’impianto. Poiché latemperatura dell’alimentazione alla colonna di distillazione è inferiore rispetto a quelladel residuo, quest’ultimo viene frequentemente utilizzato per preriscaldare, o

vaporizzare parzialmente, l’alimentazione alla medesima colonna.

UMIDIFICAZIONE E DEUMIDIFICAZIONE

L’umidificazione è l’operazione in cui si realizza un trasferimento da una fase liquida aduna gassosa, mentre la deumidificazione configura l’operazione opposta: questeoperazioni sono per certi versi simili a quelle di stripping e assorbimento, ma in questocaso viene a cadere l’ipotesi di bassa volatilità del liquido.

Nell’industria di processo le applicazioni delle operazioni di umidificazione edeumidificazione, anche se possono interessare varie combinazioni di gas e liquidi,sono spesso limitate al sistema aria-acqua. In particolare l’umidificazione vieneutilizzata in quasi tutti gli impianti dell’industria di processo come mezzo economico perraffreddare l’acqua industriale; l’utilizzo della deumidificazione è assai più ridotto edettato principalmente da esigenze di condizionamento dell’aria (ad esempio, perstoccaggi di solidi deperibili).

Raffreddamento dell’acqua industriale

Nel raffreddamento dell’acqua industriale si esegue un’operazione di umidificazionedell’aria in cui si sfruttano gli effetti termici associati al trasferimento di materia dallafase liquida alla fase gassosa. Infatti, come già visto per l’assorbimento, al trasferimentodi uno o più componenti dal liquido al gas (o viceversa) risulta associato untrasferimento di calore, poiché si verifica un passaggio di stato a cui è associato uncalore latente di vaporizzazione. Dato che le operazioni di umidificazione edeumidificazione sono di norma adiabatiche, ossia hanno luogo senza scambio di

(a) (b)



162

calore con l’esterno, ciò comporta un raffreddamento o un riscaldamento del liquido, e,in misura assai minore, del gas.

L’acqua industriale lavora in ciclo chiuso e quindi, dopo essersi riscaldata ad unatemperatura intorno ai 40°C nel passaggio attraverso i dispositivi di scambio termico incui funge da refrigerante, sorge la necessità di raffreddarla nuovamente in un modo

che, dati gli elevatissimi quantitativi coinvolti, deve essere semplice ed economico.Ciò viene effettuato in apparecchi appositi, detti torri di raffreddamento dell’acqua, in cuil’acqua calda viene posta a contatto con aria atmosferica: l’aria si umidifica, ossia si hatrasferimento di materia dal liquido al gas, e l’acqua rimanente si raffredda, fino ad unatemperatura di poco superiore a quella di saturazione (detta anche di bulbo umido)dell’aria ambiente, funzione della temperatura e dell’umidità dell’aria. Alle nostrelatitudini, nella stagione estiva si riesce a raffreddare l’acqua fino a circa 30°C, mentrenella stagione invernale si possono raggiungere temperature più basse.

Nell’operazione l’acqua che va ad umidificare l’aria non può essere recuperata: vaquindi reintegrato un quantitativo di acqua che si aggira intorno al 2-5% del totale.

ESTRAZIONE LIQUIDO-LIQUIDO L’operazione di estrazione liquido-liquido viene utilizzata per separare i componenti diuna miscela liquida quando la loro volatilità sia assai simile: infatti, in questa situazione,una separazione per distillazione, seppure possibile, risulterebbe molto costosa poichérichiederebbe una colonna di altezza molto elevata.

Nell’operazione di estrazione la miscela, costituita dai componenti A e B viene posta acontatto con un solvente costituito da un liquido S, caratterizzato da un’affinità maggioreper uno dei due componenti (ad esempio A) e parzialmente miscibile con la miscelaoriginaria. Dall’apparecchio escono due fasi liquide distinte, l’estratto che contiene la

maggior parte del solvente S e del componente A e tracce di B, ed il raffinato checontiene la maggior parte del componente B e quantità minori di A e di S (vedi figura99).

Figura 99

L’equilibrio liquido-liquido è poco influenzato dalla pressione, mentre è sensibile allatemperatura. L’operazione di estrazione viene di norma effettuata a temperaturaambiente, poiché la lacuna di miscibilità è più ampia a bassa temperatura, ed a bassa

Solvente S

Raffinato Bcon tracce di S + A

Estratto S + Acon tracce di B

Liquido A + B



163

pressione, a meno che non sia necessario aumentarla per mantenere liquido il solvente,come avviene, ad esempio, se si utilizza come solvente il propano.

Va rimarcato che un’operazione di estrazione liquido-liquido, non risolve, da sola, ilproblema della separazione di A da B, perché se è vero che nel raffinato si separa B aduna purezza che in alcuni casi può essere sufficiente, è pure vero nell’estratto sono

presenti insieme A ed S, che andranno separati in un altro apparecchio. Il problema diseparare A da B si trasforma quindi in quello di separare A da S: tale separazione vienedi solito effettuata per distillazione, ma data la notevole differenza di volatilità tra A ed Sè generalmente sufficiente un’apparecchiatura di dimensioni e costo modesti.

APPARECCHIATURE PER LE OPERAZIONI UNITARIE TRA FASI FLUIDE Come già detto, le apparecchiature per realizzare il trasferimento di materia tra le fasigassosa e liquida o liquide a contatto tra di loro devono anzitutto garantire un’adeguatasuperficie di contatto tra le fasi. Altre esigenze possono essere quelle di limitare leperdite di carico (particolarmente sentita se l’apparecchiatura lavora sotto vuoto), ridurre

le dimensioni, ridurre il quantitativo di liquido presente, ecc.

Una distinzione preliminare importante per quanto riguarda le fasi coinvolte è tra:

• fase continua e fase dispersa: la prima è quella che riempie la gran partedell’apparecchio, mentre la seconda è quella che viene suddivisa per assicurareuna elevata superficie di trasferimento di materia

• fase leggera e fase pesante: con riferimento alla densità delle fasi a contatto: nelleoperazioni gas-liquido e liquido-vapore, la fase leggera è, ovviamente, quellagassosa e quella pesante è quella liquida. Fase leggera e fase pesante si muovonoin controcorrente nell’apparecchio, la prima entrando dal basso e uscendo dall’altoe l’altra entrando dall’alto e uscendo dal basso.

Le apparecchiature utilizzate sono, per lo più, cilindriche ad asse verticale e sonodenominate genericamente “colonne” o “torri” per la loro forma snella e decisamenteallungata (solo le torri di raffreddamento per l’acqua sono decisamente più tozze, per leragioni esposte più avanti in questo paragrafo).

In linea di massima la stessa tipologia di apparecchio può essere utilizzata sia peroperazioni tra fasi gassose e liquide che per quelle tra fasi liquide.

Si utilizzano le tipologie:

• a bolle

• a spruzzo

• a parete bagnata• a riempimento

• a piatti

Per l’estrazione liquido-liquido si possono tuttavia anche adottare colonne particolari,dotate di un meccanismo di dispersione delle fasi.

Le tipologie di colonne a riempimento ed a piatti sono le uniche adottate per ladistillazione e sono comunque quelle più utilizzate anche per le altre operazioni unitarietra fasi fluide. In queste colonne il diametro dell’apparecchio dipende essenzialmentedalla portata della fase leggera, la cui velocità deve essere inferiore al valore, detto di“flooding”, che è quello a cui la portata di fase leggera ascendente impedisce a quella

pesante di scendere lungo l’apparecchio. Le colonne presentano diametri che vannogeneralmente da qualche decina di centimetri ad un paio di metri, per quelle ariempimento, e da circa mezzo metro ad alcuni metri, per quelle a piatti. L’altezza della



164

colonna dipende invece dalla superficie necessaria al trasferimento di materia, ed ètanto maggiore quanto più è difficile è la separazione: i valori tipici vanno da pochi metriad alcune decine di metri per le operazioni di assorbimento, stripping, umidificazione edeumidificazione ed estrazione liquido-liquido, ma possono arrivare, in alcuni casi, finoal centinaio di metri per le operazioni di distillazione.

Colonne a bolleLe colonne a bolle sono utilizzate prevalentemente per operazioni di assorbimento,umidificazione ed estrazione liquido-liquido. Con riferimento ai sistemi gas-liquido lacolonna è piena di liquido, che entra dall’alto e costituisce la fase continua, mentre ilgas viene disperso in forma di bolle nella parte bassa della colonna. Il gas attraversa lacolonna dal basso verso l’alto, per raccogliersi al di sopra del punto di ingresso delliquido ed uscire dall’apparecchio dall’alto; il liquido esce dal basso al di sotto del puntodi immissione del gas. Nel caso di estrazione liquido-liquido, il liquido pesante entradall’alto e costituisce la fase continua, mentre quello leggero viene disperso in basso informa di goccioline (figura 100a).

Figura 100 [14]

La colonna a bolle è semplice dal punto di vista costruttivo, ma poco efficiente: infatti, lasuperficie di contatto tra le fasi va diminuendo per la coalescenza delle bolle (o delle

goccioline) lungo la colonna. Inoltre, le perdite di carico incontrate dal gas (o dal liquidoleggero) sono elevate poiché esso deve attraversare un grosso spessore di liquido. Percontro, alle colonne a bolle si possono applicare con successo dispositivi di scambiotermico (come serpentini o camicie), poiché la colonna è pressoché piena di liquido, chepresenta un coefficiente di scambio del calore sufficientemente alto.

Colonne a spruzzo

Le colonne a spruzzo sono utilizzate prevalentemente per operazioni di assorbimento,umidificazione, deumidificazione ed estrazione liquido-liquido. Con riferimento ai sistemigas-liquido, la colonna è piena di gas (fase continua) che entra dal basso, mentre il

liquido (fase dispersa) viene spruzzato in forma di goccioline dall’alto: essa costituiscequindi un’apparecchiatura simmetrica rispetto alla colonna a bolle. Il liquido si raccogliein basso, al di sotto del condotto di ingresso del gas ed il gas esce dalla parte alta

(a) (b)



165

dell’apparecchio, al di sopra del distributore del liquido. Nel caso di estrazione liquido-liquido, la colonna è piena di liquido leggero (fase continua), mentre il liquido pesante(fase dispersa) viene spruzzato dall’alto (figura 100b).

La colonna a spruzzo è caratterizzata anch’essa da una bassa efficienza, poiché lasuperficie di contatto tra le fasi va diminuendo lungo la colonna per la coalescenza delle

gocce liquide; le perdite di carico incontrate dal gas sono però molto basse. In questecolonne, quando sono utilizzate per sistemi gas-liquido, non si può garantire unoscambio termico efficace, dato il basso coefficiente di scambio termico della fasegassosa che è quella che riempie la colonna.

Colonne a parete bagnata

Le colonne a parete bagnata si utilizzano quasi esclusivamente per le operazioni diassorbimento caratterizzate dal fatto di presentare un forte sviluppo di calore.

Il liquido (fase dispersa) entra nell’apparecchio dall’alto e cola formando uno stratosottile lungo la parete, mentre il gas (fase continua) sale nella parte centrale: il gas

fuoriesce quindi dall’alto, mentre il liquido esce dal basso.

Nella colonna a parete bagnata la superficie di contatto gas-liquido per unità di volumeè assai inferiore che non per le colonne a bolle ed a spruzzo: l’efficienza è quindi bassa,ma rimane circa costante lungo tutto l’apparecchio. Le perdite di carico incontrate dalgas sono modeste, poiché esso ha a disposizione un’ampia sezione di passaggio.

La ragione primaria cui sono utilizzate le colonne a parete bagnata è peròrappresentata dalle loro notevoli capacità di scambio termico, che le rendonoparticolarmente adatte a realizzare operazioni di assorbimento in cui si abbia un elevatosviluppo di calore. In tal caso si può provvedere la colonna con una camicia direfrigerazione, in cui lo scambio di calore è efficiente, dato che nella zona interna a

contatto con la parete scorre una fase liquida ed il coefficiente di trasferimento delcalore è alto. Inoltre, la bassa efficacia dello scambio di materia, limita il quantitativo dicalore che si sviluppa per unità di lunghezza della colonna e rende più agevole ilcontrollo del processo.

Colonne a riempimento

Le colonne a riempimento si utilizzano prevalentemente per le operazioni diassorbimento ed umidificazione. All’interno dell’apparecchio è disposto un“riempimento”, costituito da corpi solidi di forma tale da consentire una elevatasuperficie per unità di volume e, al tempo stesso, basse perdite di carico. Con

riferimento ai sistemi gas-liquido la colonna è piena di gas (fase continua), che entra dalbasso, mentre il liquido che entra dall’alto va a “bagnare” il riempimento e scendenell’apparecchio formando un velo liquido sulla sua superficie. Il gas esce dall’alto, al disopra del punto di distribuzione del liquido, mentre il liquido si raccoglie in basso, al disotto del condotto di immissione del gas (vedi figura 101).

Per un corretto funzionamento dell’apparecchio è necessario che il liquido sia distribuitoin modo uniforme lungo tutta la sezione della colonna: in caso contrario, infatti, cisarebbero delle zone di riempimento non irrorate dal liquido e quindi totalmenteinefficaci per lo scambio di materia. Sono stati quindi messi a punto vari sistemi didistribuzione del liquido (con tubi forati, piatti forati, canali sovrapposti, ecc., vedi figura105) che diventano più complicati al crescere del diametro della colonna.

Il problema della corretta distribuzione del liquido sul riempimento si pone non solo alsuo ingresso, ma anche man mano che esso scende lungo la colonna, poiché essotende ad accumularsi lungo le pareti, diminuendo la superficie bagnata nella zona



166

centrale e quindi l’efficienza dello scambio di materia. Per questa ragione, nel caso incui siano necessarie altezze elevate di materiale di riempimento, si procede asuddividerlo in più strati, di altezza massima 4-8 m disponendo dei coni diredistribuzione del liquido (detti coni di rinvio) al di sotto di ogni strato (vedi figura 101).

Figura 101 [14]

Figura 102 [12]

Ogni strato di riempimento poggia su una grigia di sostegno, generalmente costituita daprofilati metallici disposti paralleli tra loro, di taglio per aumentate la resistenzaall’inflessione, a distanza tale da non consentire il passaggio dei corpi di riempimento(figura 103a); si possono utilizzare anche elementi speciali, come quelli di figura 103b.

Figura 103 [12]

(a)(b)



167

Il gas entra semplicemente da un tubo che termina con un taglio a 45° (a fetta disalame) all’incirca al centro della colonna (figura 101): tale forma consente una certadistribuzione del gas all’interno della colonna e impedisce che il liquido che sgoccioladall’alto possa entrare nel condotto del gas.

Il gas che esce dalla parte alta della colonna può trascinare goccioline di liquido: ciò

non costituisce un grave problema nel caso della distillazione, dato che la fase gassosauscente viene condensata, ma può diventarlo nelle operazioni di assorbimento, in cuinon è previsto generalmente alcun ulteriore trattamento della fase gassosa. Per ovviarea questo inconveniente si può porre nella parte alta della colonna, al di sopradell’ingresso del liquido e prima dell’uscita del gas una rete snebbiante, costituita da unintreccio di fili metallici dello spessore di 10-20 cm oppure da un ulteriore strato di 40-50cm di riempimento, che trattiene le goccioline di liquido trascinato facendole coalesceretra loro, come mostra ancora la figura 101.

Per quanto riguarda i riempimenti ne esistono di varie forme, dimensioni e materiali. Laforma e le dimensioni sono fissate in base alle esigenze di efficienza (superficie di

contatto disponibile per unità di volume) ed a quelle legate alle perdite di carico (gradodi vuoto). Il materiale (acciaio, ceramica, plastica, ecc.) è invece scelto in base allacompatibilità con le fasi ed alla sua “bagnabilità” da parte del liquido: ad esempio, laceramica viene bagnata facilmente da soluzione acquose, ma non da liquidi organici, laplastica viene bagnata bene dai liquidi organici e non dalle soluzioni acquose, ecc.

Le tipologie dei riempimenti utilizzati comprendono:

• corpi di riempimento: detti anche riempimento alla rinfusa (random), poiché sonodisposti in modo casuale all’interno della colonna. Essi hanno forma di cilindri cavi(detti anelli) dotati eventualmente di pareti forate o munite di inserti interni, o di“selle” (vedi figura 104). Le dimensioni dei corpi di riempimento sono scelte in baseal diametro della colonna e variano tra 12 mm (1/2 pollice) per colonne con diametroinferiore a 30 cm e 75 mm (3 pollici) per colonne di diametro superiore a 1.5 m.

Figura 104 [12]

I corpi di riempimento sono generalmente immessi nella colonna attraversoaperture del diametro di 20 cm (dette passi di mano) praticate al di sopra di ognistrato, come mostra la figura 104. Nel caso di materiali fragili, per evitare che essi sirompano per l’impatto sulla griglia di sostegno o sui corpi di riempimento sottostanti,prima di iniziare questa operazione si riempie la colonna con acqua o con il liquidodi processo, in modo da ridurre la velocità di caduta.

L’aspetto di una colonna riempita con riempimento alla rinfusa è quello mostratodalla figura 105. La maggior parte delle colonne a riempimento utilizzate perassorbimento, distillazione ed estrazione liquido-liquido adotta questa tipologia diriempimento.

• listelli: i listelli, generalmente di legno o di plastica, sono lunghi qualche metro e

presentano una sezione molto piccola (quadrata, rettangolare o triangolare): essisono disposti in forma di catasta ordinata, costituita da strati di listelli dispostiparalleli tra loro, alternativamente in una direzione e nella direzione ortogonale. La



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superficie disponibile per lo scambio di materia per unità di volume è assai inferiorerispetto a quella presentata dai corpi di riempimento, ma il grado di vuoto èmaggiore e quindi le perdite di carico sono nettamente inferiori.

Figura 105 [15]

Questa tipologia di riempimento si utilizza quasi esclusivamente per le torri diraffreddamento per l’acqua, in cui le portate da trattare sono elevate. L’acqua caldaviene distribuita in parallelo sulle cataste di listelli e cola verso il bassoraccogliendosi in vasche sottostanti. L’aria entra dal basso e attraversa i listelliumidificandosi, per uscire dall’alto. L’aria uscente è più calda e più umida (quindi adensità inferiore) rispetto a quella ambiente per cui le torri possono funzionare atiraggio naturale (figura 106a). In tal caso, tuttavia possono raggiungere altezzenotevoli (fino a 70 m), per cui viene generalmente preferito il tipo a tiraggio forzato,ossia indotto da ventilatori (figura 106b).

L’altezza massima della catasta di listelli è in ogni caso limitata a qualche metro,mentre le sezioni di ogni torre possono facilmente raggiungere il centinaio di metriquadrati: spesso si utilizzano più torri in cui l’acqua è inviata in parallelo.



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Figura 106 [14]

• riempimento strutturato: il riempimento è costituito da fogli di lamiera forati e piegatidisposti alternati in modo preordinato e che si autosostengono (vedi figura 107).

Questa tipologia di riempimento, di cui sono commercializzati vari tipi, tutti coperti dabrevetto, garantisce una elevatissima superficie per il trasferimento di materia perunità di volume, ma comporta perdite di carico decisamente più alte che non i corpidi riempimento.

Il riempimento strutturato si utilizza per colonne di assorbimento e di distillazione,soprattutto in fase di “revamping”, ossia quando si stanno apportando modifiche adun impianto pre-esistente per aumentarne la capacità produttiva o l’efficienza. Infatti,la sostituzione (anche parziale) di corpi di riempimento con uno strato di pari altezzadi riempimento strutturato consente di aumentare la resa della colonna senzamodificarne sostanzialmente la struttura e, soprattutto, senza che se ne rendanecessaria la sostituzione. Gli spessori di riempimento strutturato utilizzatigeneralmente non superano il paio di metri.

Figura 107 [12]

Le colonne a riempimento sono molto più efficaci rispetto a quelle a bolle, a spruzzo eda parete bagnata, ossia riescono ad effettuare il trasferimento di materia in unapparecchio di altezza inferiore; inoltre, esse presentano perdite di carico modeste esono poco costose. Le colonne a riempimento rappresentano quindi spesso la miglioresoluzione per realizzare un’operazione unitaria tra fasi fluide: tuttavia, per il lorofunzionamento corretto si richiede che la portata di liquido sia elevata, in modo cheesso riesca a bagnare tutto il riempimento. Infatti, se sul riempimento non è presente unvelo di liquido esso è inefficace ai fini del trasferimento di materia. La portata di liquido asua volta dipende dal processo in esame, dalle specifiche di separazione richieste e

dalle caratteristiche del sistema fluido-fluido, per cui non è possibile aumentarne ilvalore a piacimento. Ne consegue che quando la portata di liquido non risulta sufficientea bagnare il riempimento, si cambia tipologia di apparecchio e, in particolare, si

(a) (b)



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utilizzano le colonne a piatti.

Un ulteriore vantaggio delle colonne a riempimento è il basso valore dell’hold-up diliquido, ossia del liquido che è presente nella colonna e che bagna il riempimento: talevalore è generalmente pari al 2-6% del volume del riempimento ed è nettamenteinferiore a quello delle colonne a piatti. Un basso valore di hold-up implica che, in caso

di incidente, la quantità di liquido che può fuoriuscire dall’apparecchio è anch’essamodesta e ciò è vantaggioso in termini di sicurezza.

Quando le colonne a riempimento sono utilizzate per l’estrazione liquido-liquido, vienedi norma dispersa la fase con portata volumetrica maggiore, che può essere tantoquella pesante (come accade per i sistemi gas-liquido e liquido-vapore) che quellaleggera. In quest’ultimo caso, il distributore della fase leggera è posto in basso ed essabagna il riempimento muovendosi verso l’alto nella colonna, piena del liquido checostituisce la fase pesante. L’interfaccia tra fase leggera e fase pesante è quindi postanella parte alta della colonna, al di sopra del distributore della fase pesante.

Colonne a piattiLe colonne a piatti si utilizzano prevalentemente per le operazioni di distillazione, poichéin queste operazioni accade frequentemente che la portata liquida richiesta siarelativamente bassa, tanto da risultare inadeguata a bagnare il riempimento qualora siutilizzasse una colonna di questo tipo.

In una colonna a piatti all’interno dell’apparecchio sono disposti dei “piatti” metallici cheoccupano gran parte della sezione circolare, lasciando libera solo una zona a forma disegmento circolare, detta discendente. In corrispondenza del discendente il piattopresenta un bordo rialzato, detto stramazzo, che prosegue con una lamina verticaleverso il basso, terminando non molto al di sopra del piatto sottostante, che ha il

discendente posizionato in posizione diametralmente opposta (figura 108).

Figura 108 [12]

Il liquido, che entra dall’alto e costituisce la fase continua, si distribuisce sul primopiatto, formando uno strato il cui spessore è regolato dall’altezza dello stramazzo;superato il bordo dello stramazzo esso scende nel discendente, finendo sul piattosottostante, che viene a sua volta attraversato in senso trasversale fino allo stramazzo

(figura 108), superato il quale il liquido procede ancora verso il basso allo stesso modofino all’ultimo piatto, da cui cade nel fondo della colonna. La parte centrale di ognipiatto, ossia quella compresa tra il discendente e la proiezione sul piatto del



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discendente sovrastante, presenta dei fori per il passaggio del gas (fase dispersa). Ilgas entra dal basso, si accumula sotto all’ultimo piatto e lo attraversa formando dellebolle (gorgogliando) all’interno dello strato di liquido sul piatto; quindi si accumula sottoil piatto sovrastante e procede in tale maniera dal basso verso l’alto.

Il gas non può passare all’interno del discendente, poiché la zona di piatto sottostante al

discendente non è forata, e ne è impedito dalla parete verticale del discendente stessoe dalla tenuta idraulica assicurata dal livello del liquido nel discendente, superiore aquello del liquido nel piatto. D’altra parte, purché il gas abbia una velocità sufficiente nelpassaggio attraverso i fori, il liquido non può sgocciolare dai fori stessi poiché ne èimpedito dal moto del gas.

La distanza tra i piatti varia generalmente tra i 40 cm, per colonne di diametro inferioreal metro, ed i 120 cm per colonne di diametro superiore ai 4 m. Nelle colonne piùpiccole il piatto è costituito di un unico pezzo che poggia su un profilato saldato allacirconferenza della colonna, mentre in quelle più grandi esso viene montato insegmenti, sorretti da appositi travetti trasversali.

L’altezza dello stramazzo varia da circa 10 mm per le colonne che lavorano sotto vuotoper arrivare a 100 mm per quelle che lavorano a pressione medio-alta. Infatti, lamaggior parte delle perdite di carico del gas sono dovute all’attraversamento dellostrato di liquido sul piatto, per cui si preferisce tenerle basse nel caso di colonne chelavorino sotto vuoto, mentre possono essere maggiori per le colonne in pressione.

Nel funzionamento di una colonna a piatti ha grande importanza il montaggioperfettamente orizzontale del piatto, per evitare che vi sia disuniformità nello spessoredel liquido sul piatto (figura 109a) ovvero che il liquido scenda solo da una parte dellostramazzo (vedi figura 109b).

Figura 109 [14]

Le tipologie di piatti maggiormente utilizzate sono:

• piatti forati: i fori, del diametro di qualche millimetro sono disposti molto ravvicinati

con maglia triangolare: la superficie forata è circa il 10% di quella utile del piatto(vedi figura 110a).

I piatti forati sono la tipologia di piatto più economica e quella che presenta leperdite di carico più basse; essi si possono adottare in tutte le situazioni in cui laportata gassosa si mantenga abbastanza alta e, soprattutto, non sia soggetta adeccessive variazioni. Infatti, non si può evitare che un piatto forato lasci sgocciolareil liquido (situazione che viene sintetizzata con: il piatto “piange”) quando la portatadel gas scende troppo al di sotto di quella di progetto.

• piatti a valvole: i fori, del diametro di qualche centimetro, sono dotati di uncoperchietto metallico (detto valvola) che è trattenuto all’interno del foro da piedini

che ne consentono un sollevamento limitato (vedi figura 110b). La spinta del gas fasollevare la valvola, tanto più quanto maggiore è la portata del gas stesso: quindi èla portata stessa del gas a regolare la sezione di passaggio.

(a) (b)



172

I piatti a valvola sono di realizzazione più costosa di quelli forati e presentanoperdite di carico maggiori, poiché il gas deve anche sollevare la valvola. Essi siadottano nelle situazioni in cui la portata gassosa è molto variabile e può divenireanche piuttosto bassa: poiché in queste condizioni la valvola si alza soloparzialmente, si evita che il liquido possa sgocciolare dai fori. Ovviamente, neanche

i piatti a valvola sono in grado di mantenere il liquido sul piatto, se la portata dellafase gassosa si interrompe completamente.

Figura 110 [12]

Le colonne a piatti, a differenza di quelle a riempimento, consentono di operare anchecon basse portate di liquido, ma sono più costose e comportano perdite di caricodecisamente più elevate. Inoltre, esse presentano un hold-up di liquido, costituito dalliquido sui piatti e da quello nei discendenti, molto maggiore delle colonne ariempimento: questa situazione può avere ripercussioni sfavorevoli sulla sicurezzaqualora si abbia la fuoriuscita accidentale del liquido dalla colonna, poiché i quantitativi

in gioco aumentano di molto.Quando le colonne a piatti sono utilizzate per l’estrazione liquido-liquido non è piùnecessario che il piatto sia munito di stramazzo, poiché la colonna è comunque piena diuna fase liquida continua. Come già visto per le colonne a riempimento, la fasedispersa, che è di norma quella con portata volumetrica maggiore, può essere tantoquella leggera (come accade per i sistemi gas-liquido e liquido-vapore) che quellapesante: in quest’ultimo caso, i piatti sono disposti rovesciati, ossia con il discendentediretto verso l’alto.

Colonne dotate di dispositivi di dispersione delle fasi

Queste tipologie di colonne si utilizzano esclusivamente per l’estrazione liquido-liquido,data la maggiore difficoltà di ottenere una elevata superficie a disposizione per loscambio di materia per questi sistemi, a cui si ovvia imponendo una dispersioneaggiuntiva tra le fasi ad opera di un dispositivo apposito. L’aumento del rendimentoavviene a spese dei consumi energetici del dispositivo che migliora la dispersione tra lefasi a contatto.

Tra le varie tipologie di colonne che rientrano in questa categoria, le più diffuse sono:

• colonne pulsanti: presentano piatti forati, che occupano tutta la sezionedell’apparecchio ed un dispositivo simile ad una pompa alternativa, posto sullatubazione di ingresso di uno dei liquidi trasmette un movimento pulsante al liquido in

colonna che viene forzato a passare attraverso i fori, disperdendosi finemente.• colonne a dischi rotanti: presenta dei dischi calettati su un albero centrale che

ruotano all’interno di specie di compartimenti, creati mediante dei setti anulari.

(a)(b)



173

PROBLEMATICHE DI SICUREZZA DELLE OPERAZIONI DI DISTILLAZIONE

Tra le operazioni unitarie per i fluidi la distillazione è quella che presenta maggioriproblematiche di sicurezza, sia per la sua maggiore complessità che per i valori ditemperatura e pressione raggiunti [5].

Il pericolo maggiore è rappresentato dalla presenza di grossi quantitativi di liquidobollente, spesso in pressione. Le condizioni operative più severe si realizzano al fondo,per cui la pompa ed il ribollitore di fondo sono le apparecchiature sottoposte allecondizioni più critiche.

Il quantitativo di prodotto presente in una colonna di distillazione è la somma di quellopresente all’interno dell’apparecchio e quello accumulato nel fondo: il primo può essereridotto scegliendo (se possibile) una colonna a riempimento invece di una a piatti, ilsecondo riducendo il volume del fondo colonna, o limitando il battente di liquido outilizzando un fondo colonna di sezione inferiore al resto dell’apparecchio.

Nella maggior parte dei casi la pressione operativa della colonna viene controllataagendo sul condensatore di testa: ciò comporta il fatto che, se non si riesce a smaltire il

calore, la pressione nella colonna aumenta, con possibilità di sovrapressurizzazioni.Analogamente, se non si riesce ad assicurare un sufficiente approvvigionamento dicalore al fondo della colonna, diminuisce il quantitativo di vapore prodotto al ribollitore ela pressione in colonna scende. Se la colonna lavora a pressione atmosferica oprossima a quella atmosferica ciò potrebbe comportare il fatto che la colonna si porti apressione inferiore a quella atmosferica, ossia vada sotto vuoto. Ove si tema che sipossa verificare questa eventualità occorre provvedere un sistema che in caso didepressurizzazione faccia entrare gas inerte. Una pressurizzazione della colonna puòinvece aversi in caso di incendio nelle vicinanze, con irraggiamento verso la colonna, oin caso di ingresso accidentale di acqua. Infatti, l’acqua vaporizza aumentando molto divolume, causando una sovrappressione che può essere molto pericolosa.

Un esempio di incidente che si è verificato in una colonna di distillazione è quello diPorto Marghera del 1984. L’incidente ha avuto origine al fondo di una colonna ditopping, in corrispondenza del punto di prelievo di liquido di fondo in prossimità di unindicatore. Per la mancata intercettazione della valvola di collegamento con la colonnaprima dell’apertura di quella di prelievo si verificava la fuoriuscita di una portatamassiccia e continua di olio combustibile in pressione: questa si nebulizzavamiscelandosi con l’aria e si innescava immediatamente, poiché si trovava a temperaturasuperiore rispetto a quella di autoaccensione. I danni materiali sono stati limitati allazona della colonna vicina al punto di fuoriuscita e, in parte, alla struttura di sostegno,mentre è morto l’operaio che doveva eseguire il prelievo.

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