Distillazione esercizi di chimica

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Distillazione esercizi di chimica

EQUILIBRIO LIQUIDO-VAPORE

1) Determinare la temperatura di ebollizione del bromobenzene a 500 kPa

2) Costruire il diagramma P/x per la miscela metanolo/acqua alla T =50°C

3) Costruire i diagrammi T/x e x/y per la miscela benzene/toluene alla pressione di esercizio di 1 kg/cm²; calcolare quindi la composizione dei vapori in equilibrio con la miscela di composizione Xa=0,45 e la Temperatura di ebollizione della miscela a composizione Xa=0,7

4) 140 kg/h di una miscela al 40% in peso di acetone e 60% in peso di etanolo è posta a distillare in un recipiente chiuso a pressione ambiente. Dopo aver determinato il diagramma di equilibrio, calcolare le portate di liquido e vapore nel caso si interrompa il riscaldamento a T =68°C

5) Calcolare a_AB media per la miscela toluene/n-propilbenzene alla P =200 kPa. Calcolare quindi la composizione dei vapori in equilibrio con la miscela a composizione x=0,55

DISTILLAZIONE DI RETTIFICA

ESERCIZIO n° 1

Una miscela di due componenti organici, il cui comportamento può essere ritenuto ideale, viene sottoposta a rettifica continua. La composizione della miscela è Zf=0.4 come frazione molare del componente più volatile. Si vogliono ottenere un distillato avente Xd=0.975 ed un prodotto di coda avente Xw=0.02.

Eseguendo la rettifica a pressione atmosferica, la miscela presenta un equilibrio liquido-vapore espresso dalla seguente tabella:

x 0 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1

y 0 0.3 0.6 0.75 0.86 0.96 1

Si può ritenere che il calore molare latente di evaporazione e condensazione della miscela valga 75 kj/kmol costante per tutte le composizioni.

Di tale miscela si sottopongono a rettifica 6 kmol/s che entrano in colonna per il 50% come vapore al punto di rugiada e per il 50% liquido al punto di ebollizione.

Il prodotto di testa (che condensa a T=82°C) viene condensato in un fascio tubiero alimentato con acqua di rete che entra nello scambiatore a 20°C ed esce a 55°C.

Il prodotto di coda (che vaporizza a T= 136°C) viene invece vaporizzato in un Kettle alimentato con vapore di rete a 10ata.

Con tali dati a disposizione si calcoli:

il numero di stadi teorici e quelli pratici ammettendo di lavorare con un rapporto di riflusso effettivo pari a 1.4 volte quello minimo ed una efficienza globale della colonna del 68%;
le portate molari di distillato, residuo e di liquido e vapore all’interno della colonna;
la quantità di calore da fornire al ribollitore di coda e da sottrarre al condensatore di testa;
la superficie di scambio del condensatore di testa e la portata di acqua di raffreddamento supponendo che si realizzi un Ud=1.5 kw/m²°C;
la superficie di scambio del ribollitore di coda e la portata di acqua di vapore di rete supponendo che si realizzi un Ud=1.3 kw/m²°C;
il diametro della colonna supponendo che la velocità dei vapori sia 2.88 m/s costante per entrambe le sezioni della colonna.

DISTILLAZIONE DI RETTIFICA

ESERCIZIO n°2

Una soluzione acquosa, contenente un composto meno volatile dell’acqua, si comporta come una miscela ideale ed è sottoposta a rettifica in una colonna a piatti operante a pressione atmosferica. L’alimentazione, inizialmente a 40°C, viene preriscaldata ed entra in colonna come liquida al punto di ebollizione con una portata di 2 mol/s. Le composizioni delle correnti sono: Zf=0.8; Xd=0.99; Xw=0.1.

Il riflusso viene realizzato con un rapporto di riflusso pari a 1.5 volte quello minimo.

Le temperature di esercizio sono le seguenti:

T condensazione dei vapori di testa: 110°C

T ebollizione dell’alimentazione: 125°C

T ebollizione del residuo: 145°C

Il calore molare latente di evaporazione/condensazione è 40 kJ/mol costante per tutte le composizioni.

Il condensatore di testa viene alimentato con acqua di mare che entra a 35°C ed esce a 60°C realizzando un Ud=1.5 kW/m²°C.

Il ribollitore viene alimentato con vapore di rete a 6 ata e vi si realizza un Ud=1.1 kW/m²°C.

la miscela presenta un equilibrio liquido-vapore espresso dalla seguente tabella:

x 0 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1

y 0 0.3 0.6 0.75 0.86 0.96 1

Con tali dati a disposizione si calcoli:

le portate delle correnti
il numero di stadi teorici e pratici ammettendo un efficienza complessiva del 57%
il calore da fornire al ribollitore e da sottrarre al condensatore
le superfici di scambio del condensatore e del ribollitore
il calore necessario al preriscaldamento dell’alimentazione ipotizzando un Cp=359 kJ/mol

DISTILLAZIONE DI RETTIFICA

ESERCIZIO n° 3

Si devono distillare 8 kmol/h di una miscela binaria con X_F=0,42 e si vuole un distillato con X_D=0,9 e un residuo con X_W=0,3. L'alimentazione entra in colonna liquida alla sua temperatura di ebollizione e il rapporto di riflusso è 2,5 volte quello minimo. Determinare le portate in uscita dalla colonna e il numero di piatti necessari sapendo che il loro rendimento è 0,75

x	0.1	0.3	0.5	0.7	0.9
y	0.25	0.55	0.75	0.9	0.98

Determinare inoltre la portata di acqua al condensatore e la superficie di scambio richiesta sapendo che i vapori di testa escono a 58°C ed hanno calore latente di evaporazione pari a 205 kcal/kmol, che Ud del condensatore è 825 kcal/m²h°C e che l’acqua di condensazione entra a 15°C ed esce a 35°C.

DISTILLAZIONE DI RETTIFICA

ESERCIZIO n° 4

Si devono distillare 800 kmol/h di una miscela acetone-acqua con X_F=0,6 e si vuole un distillato con X_D=0,9 e un residuo con X_W=0,2. L'alimentazione entra in colonna liquida alla sua temperatura di ebollizione e il rapporto di riflusso è 1,2 volte quello minimo. Determinare le portate in colonna, il numero di piatti necessari (rendimento 0,70), la potenza di riscaldamento al ribollitore e la potenza da sottrarre al condensatore (i calori latenti di residuo e distillato sono 80 kJ/kmol e 95 kJ/kmol).

DISTILLAZIONE FLASH

ESERCIZIO 1

Una portata di 650 kmol/h di una miscela costituita dal 20% in moli del componente più volatile viene sottoposta a distillazione flash ottenendo, nelle condizioni finali di temperatura e pressione una vaporizzazione del 25%.

La curva di equilibrio liquido-vapore è espressa dalla seguente tabella

x 0 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1

y 0 0.3 0.6 0.75 0.86 0.96 1

Determinare le portate e le composizioni del distillato e del residuo

ESERCIZIO 2

500 kmol/h di una miscela acqua/acetone contenente in 30% in moli di acetone viene inviata ad una sistema di rettifica flash operante a pressione atmosferica. La miscela arriva in colonna come 50% liquido e 50% vapore saturo, ed il calore fornito è necessario per una vaporizzazione del 60%.

Calcolare le portate e le composizioni del Distillato e del Residuo

DISTILLAZIONE IN CORRENTE DI VAPORE

ESERCIZIO 1

Una miscela contenente nitrobenzene deve essere separata dagli altri componenti per distillazione in corrente di vapore alla pressione di 101 kPa.

Calcolare la T di ebollizione ed il rapporto acqua/nitrobenzene necessario per l’operazione

ESERCIZIO 2

600 kmol/h di una miscela complessa di idrocarburi contiene toluene ad una concentrazione del 48% in moli. Tale miscela viene inviata ad una colonna di rettifica operante in corrente di vapore in modo da ottenere un Distillato con Xd=0,95 ed un Residuo di coda avente Xw=0,2. La miscela viene inviata come liquido alla Teb; la colonna lavora a pressione atmosferica. La curva di equilibrio della miscela è ricavabile dalla seguente tabella:

x 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50 0,6 0,7 0,8 0,9 1

y 0 0,3 0,44 0,6 0,68 0,75 0,8 0,86 0,9 0,96 1

Per realizzare l’operazione sono disponibili:

- vapore di rete a 5 ata surriscaldato fino a 170°C (si ammetta che il calore di surriscaldamento sia pari a 87 kcal/kg);

- acqua di rete al condensatore che entra a 20°C ed esce a 42°C; al condensatore si realizza un Ud=1100 kcal/h m² °C

- il lev del toluene è pari a 95 kcal/kg

Ammettendo che al condensatore si condensi interamente la miscela vapore/toluene alla Teb di esercizio della colonna e che il vapore di rete ceda oltre al suo lev anche il calore di surriscaldamento, si calcoli:

1) le portate di liquido e vapore all’interno della colonna

2) il numero di stadi teorici e pratici ammettendo un efficienza globale del 69% ed una maggiorazione del riflusso minimo del 25%

3) la superficie di scambio del condensatore di testa

STRIPPING

ESERCIZO 1

Una miscela di composti organici deve essere sottoposta a stripping con vapor d’acqua surriscaldato al fine di recuperare il componente più volatile.

La miscela ha composizione iniziale Xi=0.05 e si vuol ridurre il contenuto fino a Xf=0.0025.

Le condizioni sono tali per cui l’equilibrio liquido organico-vapor d’acqua è dato dalla retta di equazione Y=0.25X.

L’operazione è realizzata in una colonna a piatti operando con un rapporto liquido-vapore pari al 70% del massimo consentito.

Supponendo che si debba trattare una portata di 8.5 mol/h calcolare:

la quantità oraria di vapore surriscaldato da impiegare
il numero di piatti teorici
la composizione del vapore uscente dalla colonna

ESERCIZO 2

100 kmol/h di un residuo da topping devono essere sottoposte a stripping in corrente di vapore per recuperare un prodotto bassobollente. La curva di equilibrio liquido-vapore si ricava dai seguenti valori (espressi come frazione molare):

x 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

y 0 0,2 0,4 0,55 0,68 0,77

L’operazione deve consentire di ridurre la quantità del componente bassobollente nella miscela finale fino a x<0,11 (come frazione molare).

Per la realizzazione del processo si dispone di vapore di rete surriscaldato e colonna di processo con 7 piatti.

L’operazione si considera economicamente vantaggiosa se:

- si riesce rimuovere almeno 0,4 moli di prodotto per ogni mole di vapore di rete alimentato

- il consumo complessivo di vapore di rete è inferiore a 250 kmol/h

Con i dati a disposizione verificare l’economicità del processo e fare le valutazioni del caso

ASSORBIMENTO

ESERCIZIO 1

Un gas contenente NH₃ ad una pressione parziale di 8 kPa è posto in contatto con acqua contenente ammoniaca ad una frazione molare di 0.025. Sapendo che U_G=0.04 kmol / h m² kPa e che la curva di equilibrio è data da:

x (fraz. mol.) 0 0.05 0.1 0.15 0.2

P (kPa) 0 2.5 6 11 17

Calcolare la quantità totale di ammoniaca trasferita tra le due fasi attraverso 2m² di superficie

ESERCIZIO 2

Una miscela gassosa di aria-ammoniaca al 10% in volume di NH₃ è posta a contatto con acqua che contiene 1% di NH₃.

La relazione di equilibrio è la seguente (rapporti molari):

X 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

Y 0 0.018 0.03 0.05 0.075 0.09

Calcolare la quantità totale di ammoniaca trasferita tra le due fasi sapendo che U_Y =0,58 kmol/h m² r.m.

ESERCIZIO 3

Una portata di 100 kmol/h di aria contenente acetone ad una frazione molare di 0.1 viene sottoposta a lavaggio con acqua priva di acetone allo scopo di recuperarne il 90%. Si opera con una portata di acqua maggiorata del 20% rispetto a quella minima e la curva di equilibrio è data da (frazioni molari):

x 0 0.033 0.072 0.117

y 0 0.039 0.093 0.112

Calcolare la portata di acqua necessaria, il numero di stadi teorici, le composizioni del liquido e del vapore uscenti dalla colonna

ESERCIZIO 4

Una miscela gassosa con portata 300 kmol/h e contenente aria-anidride solforosa ad una concentrazione Y (SO₂, espressa in rapporto molare)=0.015 viene trattata con acqua pura per ridurre la concentrazione di SO₂ fino a Y=0.002. L’operazione viene effettuata in una colonna in cui sono presenti come materiali di riempimento anelli Raschig in ceramica da 25mm; la colonna presenta un diametro di 4m.

Nelle condizioni di esercizio si realizza U_Y = 0.5 kmol / h m² r.m. , mentre la relazione di equilibrio e data dalla retta di equazione Y=40X

Considerando una maggiorazione del 25% della portata di liquido, calcolare la portata effettiva di acqua di lavaggio e l’altezza del riempimento.

ESTRAZIONE LIQUIDO-LIQUIDO A TOTALE IMMISCIBILITA’

ESERCIZIO 1 (STADIO SINGOLO)

2.8 kg/s di una soluzione acquosa di un soluto al 12% in massa vengono estratti in un unico stadio con 2.4 kg/s di solvente privo di soluto e del tutto immiscibile con il diluente. Sapendo che Kr=4 calcolare: la concentrazione finale del soluto nell’estratto e nel raffinato; la resa di estrazione; il fattore di estrazione.

ESERCIZIO 2 (STADIO SINGOLO)

10 kg/s di una soluzione acquosa di un composto organico al 15% vengono estratti in unico stadio con 5 kg/s di un solvente puro ed immiscibile in acqua. Sapendo che Kr=8 calcolare: la concentrazione finale del soluto nell’estratto e nel raffinato; la resa di estrazione; il fattore di estrazione.

ESERCIZIO 3 (CORRENTI INCROCIATE)

200 kg di una soluzione al 7% in massa di un soluto vengono estratti in 5 stadi a correnti incrociate con 45 kg di solvente puro per ogni stadio ed immiscibile con il diluente. Ammettendo che Kr=3 calcolare: la concentrazione residua del soluto nel raffinato finale e la resa di estrazione

ESERCIZIO 4 (CORRENTI INCROCIATE)

10 kg/s di una soluzione al 18% in massa di un soluto vengono estratti in un sistema a correnti incrociate impiegando in ogni stadio 3 kg/s di solvente che contiene 1.5% in massa di soluto. Solvente e diluente possono considerarsi immiscibili. Per la curva di equilibrio sono noti i seguenti dati:

X 0.04 0.08 0.13 0.19 0.23 0.26 0.29 0.33

Y 0.032 0.065 0.114 0.172 0.22 0.256 0.302 0.368

Ipotizzando una resa del 85% calcolare: il numero di stadi teorici; la composizioni degli estratti e dei raffinati intermedi.

ESERCIZIO 5 (CONTROCORRENTE)

350 kg/s di una soluzione al 10% in massa di un soluto vengono estratti in controcorrente con 120 kg/s di un solvente puro immiscibile con il diluente. Si assuma che Kr=4 e che si voglia ottenere una resa di estrazione del 92%. Calcolare il numero di stadi per via grafica.

ESERCIZIO 6 (CONTROCORRENTE)

200 kg/s di una soluzione al 5% in massa di acetaldeide in toluene vengono estratti in controcorrente con 100 kg/s di acqua pura. Si può ritenere che acqua e toluene siano immiscibili e che Kr=2.4. Volendo ottenere una resa di estrazione del 93%, calcolare il numero di stadi per via grafica e verificarlo per via analitica.

ESTRAZIONE LIQUIDO-LIQUIDO A PARZIALE MISCIBILITA’

ESERCIZIO 1 (STADIO SINGOLO)

1200 kg/h di una miscela al 40% di soluto viene estratta con 800 kg/h di un solvente parzialmente miscibile che contiene il 5% di soluto. Calcolare la portata e la composizione dell’estratto e del raffinato.

ESERCIZIO 2 (STADIO SINGOLO)

300 kg di una miscela al 40% di un soluto sono estratti con un solvente che contiene il 5% di soluto ed il 5% di diluente. Si estrae in unico stadio con un rapporto solvente/alimentazione pari a 5 volte quello minimo. Calcolare: la quantità di solvente utilizzato; portata e composizione dell’estratto e del raffinato.

ESERCIZIO 3 (CORRENTI INCROCIATE)

300 kg di una miscela al 30% di un soluto sono estratti a correnti incrociate con 70 kg di solvente, contenente il 2% di soluto, per ogni stadio. Volendo ottenere un raffinato finale che contenga al massimo il 5% di soluto residuo calcolare: il numero di stadi teorici; composizioni e portate degli estratti e dei raffinati intermedi.

ESERCIZIO 4 (CORRENTI INCROCIATE)

600 kg di una soluzione acquosa al 50% di un soluto vengono estratti a correnti incrociate con 400 kg di solvente saturo d’acqua per ogni stadio. Si vuole ottenere un raffinato finale che contenga meno del 3% di soluto residuo. Calcolare in numero di stadi necessari per l’operazione.

ESERCIZIO 5 (CONTROCORRENTE)

1000 kg/h di una miscela al 30% di un soluto organico sono estratti in controcorrente con 350 kg/h di solvente contenente il 2% di soluto ed il 2% di diluente. Sapendo che si vuol ottenere un raffinato finale che contenga meno del 10% di soluto calcolare: il numero di stadi teorici; la portata dell’estratto e del raffinati finali.

ESERCIZIO 6 (CONTROCORRENTE)

In una batteria di estrattori funzionante in controcorrente vengono alimentati 300 kg di liquido contenente il 35% di sostanza estraibile. Calcolare il numero di stadi teorici per avere nel raffinato una concentrazione di soluto del 5%. Nell’ultimo estrattore vengono alimentati 105 kg di solvente puro.

ESERCIZIO 7 (CONTROCORRENTE)

Una estrazione in controcorrente viene condotta in modo che 200 kg di soluzione da estrarre, contenente il 28% di soluto, vengono alimentati al primo stadio dal quale esce un estratto contenente il 35% di soluto. Nell’ultimo stadio vengono alimentati 160 kg di solvente puro ed esce un raffinato contenente il 5% di soluto. Calcolare il numero di stadi teorici e quelli effettivi se l’efficienza risulta del 87%.

ESTRAZIONE SOLIDO-LIQUIDO

ESERCIZIO 1

Tracciare le linee di equilibrio nei seguenti casi:

rapporto alimentazione/inerte =1 d) 4 kg di inerte trattengono 1 kg di solvente
rapporto solvente/inerte =0.6 e) 7 kg di inerte trattengono 4 kg di solvente
3 kg di inerte trattengono 1Kg di soluzione f) y= 0.8 - 0.4x

ESERCIZIO 2 (STADIO SINGOLO)

Si vogliono estrarre 150kg di semi al 30% di olio con un idrocarburo utilizzando 3 volte la quantità minima di solvente. La linea di equilibrio è data da y = 0.4 – 0.5x. Calcolare le composizioni dell’estratto e del raffinato.

ESERCIZIO 3 (STADIO SINGOLO)

1000 kg di un minerale si lisciviano in uno stadio con 800 kg di acqua per estrarre un sale. Alla temperatura di esercizio la solubilità del sale è del 33%. Inoltre è noto che 3 kg di inerte trattengono 1 kg di soluzione. Sapendo poi che il minerale contiene il 40% di sale e che si utilizza acqua pura calcolare: portata e composizione dell’estratto e del raffinato; portata minima di solvente per non avere una soluzione satura.

ESERCIZIO 4 (CORRENTI INCROCIATE)

Si vuol estrarre un pigmento da una pianta, che ne contiene il 24%, con un solvente puro operando a correnti incrociate. Si trattano 200 kg di piante volendo ottenere un raffinato in cui la concentrazione di pigmento sia inferiore al 3%. Si opera con una quantità di solvente pari a 1.5 volte quella minima e la linea di equilibrio è data da y = -0.5x² + 0.3. Si calcoli: la portata effettiva di solvente; il numero di stadi teorici; portata e composizione degli estratti e dei raffinati; resa di estrazione.

ESERCIZIO 5 (CONTROCORRENTE)

1150 kg/h di un solido contenenti il 26% di olio sono estratti con esano puro in controcorrente. Si vuol ottenere un estratto che contenga almeno il 40% di olio ed un residuo che contenga meno del 3% di olio residuo. La linea di equilibrio è data da y = -0.4x² + 0.22. Calcolare la quantità necessaria di esano ed il numero di stadi.

ESERCIZIO 6 (CONTROCORRENTE)

1500 kg/h di una sostanza vegetale contenente un principio attivo vengono estratti con acqua pura in controcorrente. Il prodotto vegetale contiene il 10% di principio attivo ed il 40% di acqua. Si vuol ottenere una soluzione estratta al 15% di soluto ed un residuo che ne contenga meno del 2%. La linea di equilibrio è data da y= 0.6 – x. Calcolare le portate di solvente, estratto e residuo; il numero di stadi teorici.

Fonte: http://www.itistulliobuzzi.it/buzziwebsite/studenti/TecnologieChimiche/esercizi_classe_quinta.doc

Sito web da visitare: http://www.itistulliobuzzi.it

Autore del testo: A.Franchi

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