Colonna di distillazione: bilanci materiali

La colonna di distillazione è un’unità rappresentativa di processo chimico per separare una miscela multicomponente in sostanze pure. Poiché un tipico processo industriale coinvolge più di una colonna di distillazione, è importante ottenere una sequenza ottimale per ottimizzare il consumo energetico e le prestazioni di separazione.

Una colonna di distillazione è costituita da piatti dove ha luogo un contatto tra il vapore che sale dal piatto inferiore e il liquido presente sul piatto. Il liquido percorre trasversalmente il piatto e quindi discende superando lo stramazzo di un troppo pieno, attraverso un condotto nel piatto inferiore.

La distillazione è una tecnica già nota agli alchimisti ma fu solo all”inizio del XIX secolo che furono sviluppate le basi delle tecniche moderne e nel 1877 il chimico belga Ernest Solvay ottenne un brevetto statunitense per una colonna di distillazione.

Il vapore che sale in controcorrente è fatto gorgogliare nel liquido. Il contatto tra liquido e solido che si realizza su ciascun piatto permette lo scambio tra i componenti più volatili che si accumulano nella fase vapore e i meno volatili si accumulano nella fase liquida.

Nel processo descritto tenderanno a evaporare i componenti più volatili e a condensare quelli meno volatili. Il gorgogliamento del vapore attraverso lo strato di liquido presente nel piatto può aver luogo in conseguenza di un flusso del vapore attraverso una serie di fori esistenti sulla superficie del piatto.

Il vapore, che esce dalla sommità della colonna, è condensato attraverso uno scambiatore di calore percorso internamente da acqua. Parte del liquido condensato costituisce il prodotto di testa e una parte, detta riflusso, è rinviata nella colonna. Il riflusso garantisce la discesa di un flusso di liquido in controcorrente al vapore che sale lungo la colonna ed è così garantito lo scambio di materia. Il liquido che scende dalla base della colonna è parzialmente vaporizzato in una caldaia percorsa da un fluido ad alta temperatura mentre una parte viene prelevata quale prodotto di coda.

L’alimentazione è effettuata su un opportuno piatto; la parte di colonna al di sopra del piatto di alimentazione è chiamata sezione di rettifica; quella al di sotto sezione di esaurimento. Per quanto attiene i bilanci materiali è opportuno sviluppare tale analisi considerando separatamente la sezione di rettifica e quella di esaurimento.

Indichiamo con: F = portata molare dell’alimentazione D = portata molare del volume di testa L_D = portata molare del componente condensato rinviato in colonna Si indichi con m un generico piatto della sezione di rettifica.

Bilancio materiale in una colonna di distillazione

Un bilancio materiale globale in condizioni stazionarie relativo alla parte di colonna di distillazione isolata porta alla seguente relazione:

V_m+1 = L_m + D

Lo stesso bilancio impostato per un generico componente i assume la forma:

V_m+1 y_m+1,i = L_m x_m,i + Dx_D,i

Essendo x_D,i la frazione molare del componente in esame nella corrente di testa. Combinando le due ultime equazioni si ha:

V_m+1 y_m+1,i = L_M x_m,i + V_m+1 x_D,i – L_m x_D,i

Da cui:

L_m/V_m+1 = x_D,i – y_m+1,i/ x_D,i – x_m,i

Un’analisi analoga può essere condotta per la sezione di esaurimento introducendo le seguenti notazioni: W = portata molare del prodotto di coda V = portata molare del vapore che sale dalla caldaia alla colonna Si indichi inoltre con n un generico piatto della sezione di esaurimento. Il bilancio materiale globale e quello relativo al componente i assumono la forma:

V_n + W = L_n+1

V_n y_n,i + W x_w,i = L_n+1 x_n+1,i

Eliminando W si ricava:

L_n+1/V_n = x_w,i – y_n,i / x_w,i – x_n+1,i