La pressurizzazione di un liquido prima del riscaldamento è preferibile perché il pompaggio richiede molta meno energia meccanica rispetto alla compressione di una portata massica equivalente di vapore. I liquidi hanno volumi specifici molto ridotti, quindi il lavoro della pompa necessario per aumentarne la pressione è relativamente basso. Le correnti di vapore occupano un volume molto maggiore, rendendo la potenza di compressione, le dimensioni del compressore, i costi delle apparecchiature, la rumorosità e la complessità operativa sostanzialmente più elevati.
Il principio fondamentale è quello di eseguire l'aumento di pressione nella fase con il volume specifico più piccolo. Condensare la corrente quando possibile, pomparla alla pressione richiesta e quindi riscaldarla o vaporizzarla a tale pressione.
Perché la pressurizzazione del liquido richiede meno energia
Il lavoro della pompa dipende dal volume specifico del liquido
Per un liquido incomprimibile, il requisito ideale di lavoro di pressione è approssimativamente:
[ W_{\text{pompa}} \approx v_{\text{liquido}}(P_2-P_1) ]
dove (v_{\text{liquido}}) è il volume specifico del liquido.
Poiché il volume specifico del liquido è piccolo e cambia poco con la pressione, una pompa può aumentare la pressione in modo efficiente con una potenza all'albero relativamente bassa.
La compressione del vapore gestisce volumi molto più grandi
Per un vapore, il lavoro corrispondente è approssimativamente:
[ W_{\text{compressore}}=\int_{P_1}^{P_2} v,dP ]
Il volume specifico del vapore è molto maggiore di quello del liquido. Per i gas, cambia anche significativamente durante la compressione, quindi il compressore deve elaborare un grande volume e superare carichi meccanici e termici sostanziali.
A parità di portata massica e aumento di pressione, la compressione del vapore può quindi richiedere ordini di grandezza di potenza superiori rispetto al pompaggio di liquidi.
Il cambio di fase viene fornito come calore
Dopo che il liquido è stato pressurizzato, la corrente può essere riscaldata e vaporizzata alla pressione più elevata. L'energia di vaporizzazione richiesta viene fornita principalmente dal riscaldatore o dal ribollitore come carico termico, piuttosto che da un compressore meccanicamente intensivo.
Questo separa le due attività in modo efficiente:
- La pompa fornisce il lavoro di pressione.
- Il riscaldatore o ribollitore fornisce calore sensibile e latente.
Perché questa configurazione riduce i costi delle apparecchiature
Le pompe sono dispositivi di aumento della pressione più semplici
Le pompe per liquidi sono generalmente compatte, standardizzate e relativamente semplici da utilizzare. I loro sistemi di controllo e i requisiti di manutenzione sono solitamente meno impegnativi di quelli dei compressori per gas di processo.
Questo è particolarmente importante negli impianti pilota e nei laboratori didattici, dove la semplicità e l'affidabilità influenzano direttamente i costi operativi e la disponibilità.
I compressori richiedono sistemi di supporto più sostanziali
I compressori di vapore richiedono spesso design specializzati, azionamenti più grandi, protezione anti-surge, sistemi di lubrificazione, raffreddamento, controllo delle vibrazioni e un attento controllo delle condizioni di aspirazione. Possono anche essere rumorosi e costosi da installare.
Il costo capitale associato non si limita al compressore stesso. Fondazioni, tubazioni, strumentazione, sistemi di sicurezza e disposizioni per la manutenzione possono diventare tutti più onerosi.
La pressione può essere aumentata dopo la condensazione
Nei sistemi di frazionamento, una corrente di vapore che deve infine entrare in una colonna a pressione più elevata può spesso essere raffreddata al di sotto del suo punto di rugiada e completamente condensata per prima. Il liquido risultante può quindi essere pompato alla pressione della colonna.
Questa disposizione sostituisce un compressore di vapore meccanicamente complesso con un condensatore, una pompa per liquidi e le relative apparecchiature di scambio termico.
Perché è utile nei sistemi di frazionamento
La pressione della colonna potrebbe richiedere comunque la pressurizzazione dell'alimentazione
Una colonna a valle a pressione più elevata potrebbe essere necessaria per la separazione, la condensazione, l'integrazione delle apparecchiature o il recupero del prodotto. L'alimentazione di vapore deve quindi raggiungere la pressione operativa a valle.
Il fatto che la compressione del vapore sia inefficiente non elimina il requisito di pressione. Cambia solo il percorso preferito per raggiungerlo.
La condensazione crea un'opportunità pratica di aumento della pressione
Una volta che il vapore viene raffreddato al di sotto del suo punto di rugiada, diventa una fase liquida con un volume specifico molto più piccolo. La pompa può quindi aumentare la pressione in modo efficiente prima che la corrente venga introdotta nella colonna a pressione più elevata.
Il liquido può successivamente essere riscaldato o parzialmente vaporizzato come richiesto dal processo a valle.
La disposizione dimostra un importante principio di progettazione
Questa configurazione illustra una regola generale dell'ingegneria di processo: utilizzare apparecchiature termiche per cambiare fase e apparecchiature meccaniche per spostare la fase più facile da pressurizzare.
Espone anche il compromesso tra energia termica e meccanica. Potrebbero essere necessari più raffreddamento e riscaldamento, ma le apparecchiature meccaniche e la richiesta di potenza possono essere ridotte sostanzialmente.
Comprendere i compromessi
La condensazione e il riscaldamento richiedono uno scambio termico aggiuntivo
La disposizione "pompa prima" può richiedere che il vapore venga raffreddato, condensato, pompato e successivamente riscaldato. Tali passaggi di trasferimento di calore consumano energia termica e richiedono scambiatori aggiuntivi o capacità di servizio.
La configurazione migliore dipende dalla disponibilità di servizi di raffreddamento e riscaldamento idonei e dalla possibilità per il processo di recuperare calore internamente.
Un compressore può essere ancora necessario in alcuni servizi
Se la corrente deve rimanere in fase vapore, la condensazione potrebbe essere inaccettabile. Ciò può verificarsi a causa delle specifiche del prodotto, dei requisiti di reazione, di problemi di contaminazione o dell'assenza di una temperatura di condensazione pratica.
In questi casi, la compressione del vapore non è solo un'alternativa inefficiente; potrebbe essere l'unica opzione tecnicamente adatta.
Pressione e temperatura possono influenzare il comportamento di fase
La condensazione è pratica solo quando la corrente può essere raffreddata a una temperatura idonea alla sua composizione e pressione. Le miscele multicomponente possono avere ampi intervalli di condensazione piuttosto che una singola temperatura di condensazione.
Il design deve quindi verificare il comportamento del punto di rugiada, le condizioni di aspirazione della pompa, il margine di cavitazione, la compatibilità dei materiali e le condizioni di alimentazione della colonna a valle.
Il pompaggio di una corrente bifase è indesiderabile
Una pompa dovrebbe ricevere un'alimentazione sufficientemente liquida. Se rimane vapore all'ingresso della pompa, possono verificarsi cavitazione, funzionamento instabile, perdita di capacità e danni meccanici.
Il condensatore e il ricevitore devono garantire una formazione di liquido affidabile e un battente di aspirazione adeguato.
Fare la scelta giusta per il proprio obiettivo
La configurazione preferita dipende dalla fase richiesta, dai servizi disponibili e dall'integrazione complessiva del processo.
- Se l'obiettivo principale è ridurre al minimo la potenza meccanica: Condensare la corrente dove possibile, pompare il liquido alla pressione richiesta e riscaldarlo o vaporizzarlo successivamente.
- Se l'obiettivo principale è ridurre al minimo la complessità delle apparecchiature: Preferire una pompa per liquidi e scambiatori di calore convenzionali rispetto a un compressore di vapore quando il processo consente la condensazione.
- Se l'obiettivo principale è mantenere un'alimentazione in fase vapore: Utilizzare un compressore, poiché la penalità energetica e di capitale potrebbe essere inevitabile quando la condensazione non è accettabile.
- Se l'obiettivo principale è il funzionamento su scala pilota o di laboratorio: Preferire la condensazione seguita dal pompaggio quando soddisfa i requisiti di processo, poiché è generalmente più semplice, più silenziosa e più facile da controllare.
La strategia di aumento della pressione più efficiente consiste solitamente nel pressurizzare la corrente mentre è liquida, quindi fornire il calore richiesto alla pressione elevata.
Tabella riassuntiva:
| Considerazione | Pompaggio liquido prima del riscaldamento | Compressione vapore prima del riscaldamento |
|---|---|---|
| Richiesta energetica | Bassa, grazie al piccolo volume specifico del liquido | Alta, poiché il vapore occupa molto più volume |
| Apparecchiature | Pompa compatta e standardizzata | Compressore più grande con sistemi di supporto specializzati |
| Operatività | Generalmente più semplice, silenziosa e facile da controllare | Richiede controllo attento, raffreddamento, lubrificazione e protezione anti-surge |
| Miglior applicazione | Quando la corrente può essere condensata prima della pressurizzazione | Quando l'alimentazione deve rimanere in fase vapore |
| Controllo di progettazione chiave | Garantire la condensazione completa e un battente di aspirazione della pompa adeguato | Verificare la capacità del compressore, il raffreddamento, le vibrazioni e i requisiti di sicurezza |
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