L’altezza effettiva della colonna è determinata dal numero di piatti fisici, dalla loro spaziatura e dagli spazi non attivi necessari per un funzionamento sicuro. Innanzitutto, gli stadi teorici vengono convertiti in piatti effettivi utilizzando l’efficienza dei piatti, generalmente espressa come (E_T = N_T/N_p), dove (N_T) è il numero di stadi teorici richiesti e (N_p) è il numero di piatti fisici richiesti. La sezione attiva dei piatti viene quindi stimata a partire dal numero di piatti e dalla spaziatura, mentre si aggiunge ulteriore altezza per il disimpegno del vapore, lo zoccolo della torre, l’accumulo di liquido e l’accesso per la manutenzione. La pressione di esercizio influisce sull’economia modificando la temperatura del ribollitore e quindi il tipo e il costo del vapore richiesto.
La sezione attiva di una colonna pilota di distillazione è determinata dal numero effettivo di piatti moltiplicato per la spaziatura tra i piatti; l’altezza totale fabbricata è maggiore perché la colonna necessita anche di spazio per il vapore, capacità di accumulo del liquido e maggiorazioni strutturali. Ridurre la pressione può abbassare sufficientemente la temperatura del ribollitore da consentire la sostituzione del vapore a media pressione con vapore a bassa pressione, dal costo inferiore, sebbene la conseguente minore forza motrice termica possa richiedere un ribollitore più grande.
Come viene stabilita l’altezza effettiva della colonna
Convertire gli stadi teorici in piatti fisici
Il requisito di separazione viene normalmente calcolato come numero di stadi teorici di equilibrio, sulla base del comportamento dell’equilibrio vapore-liquido, del rapporto di riflusso, delle condizioni di alimentazione e delle specifiche dei prodotti.
I piatti fisici vengono quindi stimati a partire dall’efficienza complessiva dei piatti:
[ E_T = \frac{N_T}{N_p} ]
Riordinando si ottiene:
[ N_p = \frac{N_T}{E_T} ]
Per le stime preliminari di impianti didattici o pilota, può essere utilizzata un’efficienza complessiva prossima al 50% quando non sono disponibili dati idraulici o sperimentali migliori. Il valore effettivo dipende dal tipo di piatto, dalle proprietà dei fluidi, dalle velocità del vapore e del liquido e dalla difficoltà della separazione.
Calcolare l’altezza attiva dei piatti
La sezione attiva dei piatti si basa sul numero di piatti fisici e sulla spaziatura tra i piatti:
[ Z_{\text{active}} \approx (N_p - 1)H_T ]
La sottrazione di uno riflette la distanza tra i piatti e non il numero stesso dei piani dei piatti. Nelle stime iniziali delle apparecchiature, gli ingegneri possono invece utilizzare (N_pH_T), soprattutto quando il numero di piatti e la spaziatura sono arrotondati. La differenza è ridotta rispetto alle altre maggiorazioni di una colonna pilota, ma il criterio adottato deve essere dichiarato chiaramente.
Ad esempio, con 20 piatti effettivi e una spaziatura di 18 pollici:
[ Z_{\text{active}} \approx (20-1)(1.5\ \text{ft}) = 28.5\ \text{ft} ]
Aggiungere le maggiorazioni per le parti non attive della colonna
La colonna fabbricata deve estendersi oltre la sezione attiva dei piatti. Le aggiunte tipiche includono:
- Spazio superiore per il disimpegno del vapore per ridurre il trascinamento e consentire la separazione vapore-liquido.
- Spazio inferiore per l’accumulo o la riserva di liquido per favorire un funzionamento stabile del ribollitore.
- Zoccolo della torre e supporto strutturale sotto la sezione attiva.
- Ugelli, passi d’uomo, spazio per il demister e distanze per la manutenzione ove applicabili.
Il criterio progettuale principale indica una maggiorazione totale tipica di circa 9-15 piedi per lo zoccolo della torre, lo spazio superiore per il vapore e l’accumulo inferiore del liquido. Pertanto:
[ Z_{\text{total}} \approx N_pH_T + Z_{\text{allowance}} ]
oppure, utilizzando in modo più preciso le distanze tra i piatti:
[ Z_{\text{total}} \approx (N_p-1)H_T + Z_{\text{allowance}} ]
Il risultato è l’altezza fisica della colonna, non semplicemente l’altezza richiesta dalla separazione idealizzata.
Che cosa determina realmente il numero di piatti
La difficoltà della separazione controlla il fabbisogno di stadi
Una miscela di componenti con punti di ebollizione ravvicinati richiede generalmente più stadi teorici rispetto a una miscela con una grande differenza di volatilità relativa.
Requisiti di purezza più elevati aumentano inoltre il numero di stadi richiesti, soprattutto quando le specifiche sia del prodotto di testa sia del prodotto di fondo sono rigorose.
Il riflusso modifica il compromesso tra stadi e altezza
L’aumento del riflusso riduce generalmente il numero di stadi teorici richiesti per una determinata separazione. Tuttavia, aumenta il flusso interno di vapore e liquido, influenzando potenzialmente il diametro della colonna, il carico del condensatore, il carico del ribollitore e i limiti idraulici.
Altezza e diametro della colonna risolvono quindi problemi diversi: l’altezza fornisce gli stadi di separazione, mentre il diametro fornisce la capacità e la gestione idraulica.
La spaziatura su scala pilota non coincide automaticamente con quella su scala industriale
Le colonne su scala industriale possono utilizzare una spaziatura tra i piatti di circa 2-2,5 piedi per consentire l’accesso e la manutenzione. Gli impianti pilota utilizzano spesso una spaziatura minore, ad esempio 18 pollici, quando il diametro della colonna, il tipo di piatto e le portate operative lo consentono.
La spaziatura selezionata deve comunque garantire un adeguato disimpegno del vapore e impedire un trascinamento eccessivo o l’accumulo di liquido. Deve basarsi sull’hardware effettivo dell’impianto pilota e sui vincoli idraulici, anziché essere copiata da una regola empirica applicata alle colonne industriali.
Come la pressione di esercizio modifica l’economia delle utenze
Una pressione inferiore riduce la temperatura del ribollitore
Ridurre la pressione della colonna abbassa le temperature di ebollizione in tutta la colonna, inclusa la temperatura del prodotto di fondo.
In un esempio metanolo-acqua, ridurre la pressione da circa 7,0 bar a 5,0 bar può abbassare sufficientemente la temperatura del ribollitore da consentire l’uso di vapore a bassa pressione invece di vapore a media pressione.
Il vantaggio economico deriva dalla riduzione del costo dell’utenza di riscaldamento, non necessariamente dalla riduzione del carico termico del ribollitore.
Una pressione inferiore può aumentare l’area del ribollitore
A una pressione del vapore inferiore, la differenza di temperatura tra il vapore e il fluido di processo è minore.
Per trasferire il calore richiesto con questa forza motrice ridotta, il ribollitore può necessitare di una maggiore superficie di scambio termico. Ciò aumenta le dimensioni dell’apparecchiatura e può incrementare il costo d’investimento.
La decisione economica è un compromesso tra capitale e costi operativi
Un progetto a pressione inferiore può richiedere un ribollitore più grande, ma consumare durante l’esercizio vapore meno costoso.
Un progetto a pressione superiore può ridurre l’area dello scambiatore e aumentare la densità del vapore, riducendo potenzialmente il diametro della colonna, ma può richiedere vapore più costoso e un mantello con maggiore spessore e resistenza alla pressione. La pressione preferibile è quella che garantisce il miglior equilibrio complessivo tra costi d’investimento e operativi, spesso valutato mediante il valore attuale netto.
Che cosa stabilisce l’intervallo pratico di pressione
Il condensatore deve avere una forza motrice termica utilizzabile
La pressione deve essere sufficientemente elevata affinché il vapore di testa possa condensare utilizzando l’utenza di raffreddamento disponibile.
Per molti impianti pilota si preferisce utilizzare normale acqua di raffreddamento. I componenti di testa altamente volatili possono richiedere una pressione elevata per aumentare la temperatura di condensazione al di sopra dell’intervallo pratico dell’acqua di raffreddamento ed evitare la refrigerazione.
Il ribollitore deve essere compatibile con il vapore disponibile
La pressione non può essere selezionata considerando esclusivamente il condensatore. L’aumento della pressione della colonna innalza la temperatura di ebollizione del prodotto di fondo e può richiedere vapore a media pressione o di grado superiore.
Se la temperatura richiesta dal ribollitore supera la temperatura dell’utenza disponibile, la pressione della colonna deve essere ridotta oppure deve essere predisposto un sistema di riscaldamento diverso.
La stabilità termica del prodotto può imporre una pressione massima
I composti termicamente sensibili possono degradarsi, reagire o polimerizzare a temperature elevate del prodotto di fondo.
Il funzionamento sotto vuoto può ridurre le temperature di ebollizione e proteggere il prodotto, sebbene introduca requisiti aggiuntivi per le apparecchiature del vuoto, il controllo delle perdite e la gestione del vapore.
Una pressione superiore può ridurre le dimensioni delle apparecchiature
Una pressione più elevata aumenta la densità del vapore, riducendo il flusso volumetrico del vapore e quindi il diametro richiesto della colonna per una determinata portata massica.
Questo potenziale vantaggio in termini di capitale deve essere bilanciato con il mantello più spesso, la temperatura più elevata del ribollitore, il vapore più costoso e i possibili danni termici.
Comprendere i compromessi
Una pressione inferiore non è automaticamente più economica
Una pressione inferiore può ridurre il costo del vapore, ma può aumentare l’area del ribollitore e richiedere apparecchiature per il vuoto se la pressione scende al di sotto di quella atmosferica.
Può inoltre influenzare il progetto del condensatore, la stabilità del controllo della pressione, la produttività e la capacità di mantenere un funzionamento affidabile.
Una pressione superiore non è automaticamente migliore per la capacità
Una pressione superiore può ridurre il diametro della colonna perché aumenta la densità del vapore, ma innalza la temperatura del prodotto di fondo e i requisiti dell’utenza di riscaldamento.
Il progetto può inoltre richiedere pareti più spesse per contenere la pressione, aumentando il costo d’investimento.
Le stime semplificate dell’altezza hanno dei limiti
La relazione tra numero di piatti e spaziatura è utile per il dimensionamento preliminare, ma non sostituisce il progetto idraulico.
Allagamento, weeping, trascinamento, accumulo nel downcomer, disimpegno del vapore e distanze meccaniche possono determinare il numero finale di piatti, la spaziatura, il diametro e l’altezza totale.
I confronti tra pressioni richiedono ipotesi coerenti
Un confronto economico significativo dovrebbe mantenere coerenti la portata di alimentazione, le specifiche dei prodotti, la politica di riflusso, le ore di esercizio, i prezzi delle utenze, la vita utile delle apparecchiature e le ipotesi di attualizzazione.
Confrontare esclusivamente i prezzi del vapore o soltanto le dimensioni delle apparecchiature può portare a una conclusione fuorviante sulla pressione di esercizio preferibile.
Come effettuare la scelta giusta in base al proprio obiettivo
Il criterio progettuale appropriato dipende dal fatto che l’impianto pilota venga dimensionato per le prestazioni di separazione, la flessibilità didattica o la valutazione economica.
- Se l’obiettivo principale è il dimensionamento fisico della colonna: convertire gli stadi teorici in piatti effettivi utilizzando un’efficienza appropriata, moltiplicare per la spaziatura tra i piatti e aggiungere circa 9-15 piedi per lo spazio del vapore, lo zoccolo e l’accumulo di liquido.
- Se l’obiettivo principale è la prestazione di separazione: determinare il numero di piatti in base alla purezza richiesta, al rapporto di riflusso, alla volatilità relativa e a un’efficienza dei piatti supportata sperimentalmente.
- Se l’obiettivo principale è il costo delle utenze: confrontare le pressioni di esercizio calcolando la temperatura risultante del ribollitore e determinando se sia richiesto vapore a bassa o media pressione.
- Se l’obiettivo principale è l’economia complessiva del progetto: includere i costi del ribollitore più grande e delle eventuali apparecchiature in pressione alle pressioni inferiori e superiori, quindi confrontare le alternative utilizzando il valore attuale netto.
- Se l’obiettivo principale riguarda prodotti termicamente sensibili: selezionare la pressione più bassa che consenta la condensazione e un funzionamento stabile, mantenendo al contempo la temperatura del ribollitore al di sotto del limite termico del prodotto.
Un progetto valido di impianto pilota distingue tra altezza attiva dei piatti, altezza fisica totale ed economia delle utenze determinata dalla pressione, consentendo di valutare ogni decisione sulla base del suo reale fondamento ingegneristico.
Tabella riassuntiva:
| Fattore progettuale | Effetto principale | Implicazione ingegneristica |
|---|---|---|
| Stadi teorici | Definiscono il fabbisogno di separazione | Convertire in piatti fisici utilizzando l’efficienza dei piatti: Nₚ = Nₜ / Eₜ |
| Spaziatura tra i piatti | Determina l’altezza della sezione attiva | Le colonne pilota possono utilizzare una spaziatura di circa 18 pollici quando idraulicamente adeguata |
| Maggiorazioni per le parti non attive | Aggiungono spazio per vapore, liquido e struttura | Aggiungere circa 9-15 piedi per disimpegno, accumulo, zoccolo e accesso |
| Pressione di esercizio inferiore | Riduce la temperatura del ribollitore | Può consentire l’uso di vapore a bassa pressione, meno costoso, ma richiedere un ribollitore più grande |
| Pressione di esercizio superiore | Aumenta la densità del vapore e la temperatura di ebollizione | Può ridurre il diametro della colonna, richiedendo però vapore di grado superiore e pareti più spesse |
| Selezione della pressione | Bilancia utenze, apparecchiature e limiti del prodotto | Confrontare la fattibilità del condensatore, il costo del vapore, la stabilità termica e il VAN |
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