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Introduzione
L’evaporazione è l’operazione che serve per allontanare, in fase vapore, una parte di solvente da una soluzione per renderla più concentrata.
L’apparecchiatura usata dicesi evaporatore; si tratta di uno scambiatore di calore a fascio tubiero nel quale la soluzione da concentrare viene fatta bollire sfruttando il calore latente di condensazione del vapor d’acqua che si trova ad una temperatura più alta rispetto a quella di ebollizione della soluzione di almeno 20°C.
N.B.: Il processo di evaporazione avviene in continuo ed in stato stazionario. Si dice che un processo continuo funziona in stato stazionario quando i flussi di materia in ingresso ed in uscita restano costanti nel tempo.
Simbologia:
F = portata di alimentazione; kg/h
L1 = portata del prodotto uscente; kg/h
V1 = portata di vapore uscente dall’evaporatore; kg/h
V0 = portata di vapore saturo usato per il riscaldamento; kg/h
cF = concentrazione dell’alimentazione; % in massa
c1 = concentrazione del prodotto; % in massa
l0 = calore latente di condensazione del vapore saturo; kJ/kg
Il bilancio di materia relativo all’evaporatore si basa sul principio di conservazione della materia:
<la somma delle portate entranti è uguale alla somma delle portate uscenti>.
bilancio totaleDATI: F; cF ; c1 
bilancio del soluto Incognite: L1 ; V1
F = 300 kg/h di soluzione acquosa al 5% in massa di soluto vengono concentrati al 20% in massa, in un singolo evaporatore. Calcolare:
Risoluzione
La variazione di Entalpia DH = H2 - H1 di una sostanza è uguale alla quantità di calore ceduta o acquistata nel corso di una trasformazione termodinamica a pressione costante:
DH = H2 - H1 = m cp (T2 - T1)
Poiché non è possibile conoscere il valore assoluto dell’entalpia di una data sostanza, si è stabilito convenzionalmente di porre uguale a zero l’entalpia della sostanza liquida a 0°C; i valori tabulati di entalpia rappresentano l’incremento di entalpia rispetto a tale riferimento.
Entalpia dell’acqua liquida e del vapor d’acqua (alla pressione P = 1 atm = 101,256 kPa)
Per convenzione, si pone uguale a zero l’entalpia di H2O liquida alla temperatura di 0°C.
a) L’entalpia di 1 kg di acqua alla temperatura T = 100 °C è data dall’espressione:
H100°C = m cp (100 - 0) = (1kg )×(1 kcal/kg °C)×(100°C) = 100 kcal
N.B: l’entalpia di 1 kg di acqua liquida, espressa in kcal, coincide numericamente con la temperatura
espressa in °C.
b) L’entalpia di 1 kg di vapor d’acqua saturo a 100°C si ottiene sommando all’entalpia dell’acqua
liquida a 100°C, che vale 100 kcal, il calore latente di ebollizione l = 539,2 kcal; totale: 639,2 kcal.
c) L’entalpia di 1 kg di vapor d’acqua surriscaldato a 200°C si ottiene sommando all’entalpia del vapore saturo, che vale 639,2 kcal, l’entalpia di surriscaldamento del vapore:
H200°C = 639,2 + mvapore × cp,vapore × (200 - 100) = 639,2 + (1kg )×(0,57 kcal/kg °C)×(100°C) = 696,2 kcal
d) L’entalpia di condensazione del vapore saturo l aumenta al diminuire della pressione, come si
evince dalla seguente tabella:
PRESSIONE kPa |
TEBOLLIZIONE |
HLIQUIDO |
l |
HVAPORE |
||
500 |
424,95 |
151,8 |
640,1 |
2107,4 |
506,4 |
2747,5 |
400 |
416,75 |
143,6 |
604,7 |
2132,9 |
509,5 |
2737,6 |
300 |
406,65 |
133,5 |
561,4 |
2163,3 |
516,8 |
2724,7 |
200 |
393,35 |
120,2 |
504,7 |
2201,6 |
525,9 |
2706,3 |
101,256 |
373,15 |
100 |
418,6 |
2257 |
539,2 |
2675,6 |
100 |
372,75 |
99,6 |
417,5 |
2257,9 |
539,4 |
2675,4 |
50 |
354,45 |
81,3 |
340,6 |
2305,4 |
550,7 |
2646,0 |
10 |
318,95 |
45,8 |
191,8 |
2393,0 |
571,6 |
2584,8 |
BILANCIO ENERGETICO (o entalpico)
Il bilancio energetico relativo all’evaporatore si basa sul principio di conservazione dell’energia:
calore entrante = calore uscente
oppure: entalpia entrante = entalpia uscente
Nel bilancio entalpico si considera soltanto il calore entrante ed uscente attraverso i flussi materiali; si considera trascurabile, quindi, il calore perso per convezione ed irraggiamento verso l’esterno.
Esprimendo l’entalpia in kJ/kg oppure in kcal/kg, il bilancio entalpico assume la seguente espressione:
tenendo presente che:
V0 = VC (kg/h)
l0 = HV0 - HVC = calore latente di condensazione
il bilancio entalpico si può scrivere:
Il bilancio entalpico consente di calcolare la portata di vapore V0 richiesta dal processo di evaporazione.
N.B: Spesso, nei problemi, si ipotizza che le soluzioni acquose abbiano un comportamento paragonabile a quello dell’acqua; quindi si trascura l’IPE e si adottano le entalpie dell’acqua.
F = 300 kg/h di soluzione acquosa al 5% in massa di soluto vengono concentrati al 20% in massa, in un evaporatore funzionante a pressione atmosferica: (P1 = 101,256 kPa; T1 = 100°C; l1 = 539,2 kcal/kg; HV1 = 639,2 kcal/kg).
- L’alimentazione, opportunamente preriscaldata, entra nell’evaporatore alla temperatura di ebollizione della soluzione T1 = 100°C (si ammette comportamento paragonabile a quello dell’acqua pura);
- Il vapore saturo primario V0 è disponibile a 200 kPa con T0 = 120,2°C e l0 = 525,9 kcal/kg; HV0 = 646,1 kcal/kg).
Calcolare:
1) L1 = 75 kg/h (dal bilancio di materia)
2) V1 = 225 kg/h (dal bilancio di materia)
300×100 + V0×525,9 = 225×639,2 + 75×100 da cui: V0 = 230,69 kg/h
EVAPORATORE funzionante a pressione ridotta
L’evaporazione a pressione ridotta si attua quando il soluto contenuto nella soluzione da concentrare si degrada alle temperature di ebollizione della soluzione a pressione atmosferica.
L’impianto di evaporazione a pressione ridotta è costituito essenzialmente da: evaporatore, condensatore barometrico, separatore di gocce, pompa ad anello liquido (oppure eiettore).
La pompa ad anello liquido aspira aria e crea il vuoto desiderato nel corpo evaporante.
Il vapore V1 entra nel condensatore barometricodove si mescola con l’acqua di raffreddamento LW e condensa; la portata risultante (V1+LW) giunge al pozzetto a pressione atmosferica attraverso il tubo di scarico (lungo circa 10 metri) del condensatore barometrico.
A causa della pressione ridotta dell’impianto, l’acqua pescata dal pozzetto risale lungo il tubo del condensatore barometrico per compensare la spinta dovuta alla pressione atmosferica esterna.
F = 300 kg/h di soluzione acquosa al 5% in massa di soluto vengono concentrati al 20% in massa, in un evaporatore funzionante alla pressione ridotta P1 = 50 kPa; si ammette comportamento della soluzione paragonabile a quello dell’acqua pura; (T1 = 81,3°C; l1 = 550,7 kcal/kg ; HV1 = 632 kcal/kg).
- L’alimentazione F entra nell’evaporatore alla temperatura TF = 50°C, con entalpia HF = 50 kcal/kg;
- Il vapore saturo primario V0 è disponibile a 200 kPa, con T0 = 120,2°C e l0 = 525,9 kcal/kg;
Il vapore V1 va al condensatore barometrico, alimentato da LW kg/h di acqua a 15°C; dal condensatore barometrico esce acqua a 45°C.
Calcolare:
1) L1 = 75 kg/h (T1 = 81,3°C; HL1 = 81,3 kcal/kg)
2) V1 = 225 kg/h ( T1 = 81,3°C; HV1 = 632 kcal/kg)
LW × (45 -15) = V1 × (632- 45) da cui:
Fonte: http://chimicapacinotti.pbworks.com/f/Evaporazione+p.+1-4.doc
Sito web da visitare: http://chimicapacinotti.pbworks.com
Autore del testo: non indicato nel documento di origine
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