CAPITOLO 4
Comparazione tra dati teorici e sperimentali
Condizioni operativeIl gas, proveniente dalla sezione di reazione, viene alimentato al primo stadio della colonna nelle seguenti condizioni fisiche:
Tab.1- specifiche gas in entrata alla colonna
TEMPERATURA °C 150-155 PRESSIONE mmHg 835 DENSITA’ kg / Nm3 1,222 CAL. SPEC. Kcal / kg°C 0,252
PORTATA Nm3/h 41930 VISCOSITA’ cp 0,025
PESO MOL. 27,397
e composizione:
Tab.2- composizione gas in entrata alla colonna
COMPONENTI Kg/h %P Kmoli/h %mol
metanolo 88,27 0,17 2,75 0,15 formaldeide 3764,48 7,35 125,36 6,70 acqua 3424,09 6,68 190,23 10,17 azoto 39823,46 77,70 1421,45 75,98 ossigeno 3270,16 6,38 102,20 5,46 CO 678,99 1,32 24,24 1,30 CO2 116,23 0,23 2,64 0,14 Aldeide acetica 85,03 0,17 1,85 0,10 Acido Formico 0,93 0,00 0,02 0,00
Il liquido estratto dal fondo del primo stadio è una soluzione di formalina avente:
Tab.3- proprietà fisiche liquido in uscita dalla colonna
TEMPERATURA °C 57-61 PRESSIONE mmHg 835 DENSITA’ kg / Nm3 1142 CAL. SPEC. Kcal / kg°C 0,87
PORTATA Nm3/h 6,497
VISCOSITA’ cp 1,6
PESO MOL. 22,69
e composizione:
Tab4. composizione soluzione in uscita dalla colonna
COMPONENTI Kg/h %P Kmoli/h %mol
metanolo 60,51 0,85 1,89 0,60
formaldeide 3614,5 50,70 120,36 38,32
acqua 3453,35 48,44 191,85 61,08
acido formico 0,93 0,01 0,02 0,01
TOTALE 7129,29 100 314,10 100
Note le condizioni della corrente gassosa in ingresso e del liquido estratto dal fondo colonna, applicando il modello precedentemente trattato si possono conoscere i profili quantitativi della temperatura e composizione delle correnti liquida e gassosa.
Nella trattazione che segue sono state fatte le seguenti ipotesi semplificative: 1. in fase gas, escluse la formaldeide e l’ acqua, tutti gli atri elementi sono
stati considerati inerti.
Primo Stadio
Nel primo stadio il gas caldo subisce un raffreddamento spinto e quindi un parziale assorbimento reattivo ( esotermico ) della formaldeide ad opera dell’ acqua presente e condensata e di quella di make-up.
Il calore di assorbimento viene controllato da un ricircolo di 280-320 m3 / h, che funge da volano termico. Tale corrente estratta con pompe centrifughe viene raffreddata esternamente in scambiatori a piastre con acqua di raffreddamento disponibile ad una temperatura massima di 24°C.
Il riempimento è strutturato del tipo 5T Intalox Structured Packing Smooth 3000 ID 304; l’ altezza è di 3 m ed il diametro interno di 2,98 m .
Dal modello teorico si ottengono i seguenti profili:
Il gas si raffredda portandosi da 147 fino a circa 52 °C raggiungendo quasi l’ equilibrio termico con il liquido che entra a circa 51°C.
Il liquido di ricircolo nello scambiatore esterno viene raffreddato da 59°C ( temperatura di uscita ) a 51,01°C ( temperatura di entrata ).
Fig.2- Profili portate relative di acqua e formaldeide nel gas, primo stadio
Dai profili delle portate relative dell’ acqua e della formaldeide in fase gassosa, si nota che all’ entrata il gas caldo insaturo provoca l’ evaporazione di acqua dalla soluzione liquida. Salendo si raffredda e si satura, iniziando a perdere l’acqua in eccesso.
Nel primo stadio si assorbe circa il 44% in peso della formaldeide contenuta nel gas, la formaldeide nel gas decresce linearmente lungo il riempimento.
Fig.4- Profili portate relative gas e liquido, primo stadio
Come ci aspettavamo la portata totale del gas in entrata presenta un leggero aumento a causa dell’ evaporazione di acqua che supera la perdita di formaldeide, per poi diminuire in conseguenza dell’ assorbimento di formaldeide e della condensazione dell’ acqua.
La portata di liquido aumenta dall’ alto verso il basso, la crescita è lieve per l’elevato ricircolo in colonna, si stabilizza nella regione di fondo dove l’ assorbimento di formaldeide è compensato dall’evaporazione di acqua.
Fig.5- Profili composizione liquido, primo stadio
La composizione della fase liquida non varia sensibilmente; come appare dal grafico, la formaldeide è presente quasi totalmente sotto forma di glicole metilenico, la forma anidra è in percentuale molto bassa.
Riassumendo:
Gas in entrata:
Tab5.- composizione e temperatura del gas in entrata alla colonna
COMPONENTI Kg/h %P Formaldeide 3764,5 7,35 Acqua 3424,1 6,68 Inerti 44063 85,97 TOTALE 51251,6 100,00 T 147 °C
Gas in uscita :
Tab.6- composizione e temperatura del gas in uscita dal primo stadio
COMPONENTI Kg/h %P Formaldeide 2106 4,30 Acqua 2763 5,65 Inerti 44063 90,05 TOTALE 48932 100,00 T 52,12 °C Liquido di spurgo:
Tab.7- composizione e temperatura del liquido estratto dalla colonna
COMPONENTI Kg/h %P
Formaldeide 3614,5 51,14
Acqua 3453,35 48,86
TOTALE 7067,85 100,00
T 59 °C
Dal bilancio di materia globale sul primo stadio si calcola la composizione del liquido di reintegro che fluisce dal secondo stadio.
Liquido di reintegro:
Tab.8- composizione e temperatura del liquido che proviene dal secondo stadio
COMPONENTI Kg/h %P
Formaldeide 1956 41,19
Acqua 2792 58,81
T 38,06 °C La temperatura della corrente liquida di reintegro al primo stadio è stata calcolata imponendo un salto termico ∆T sul liquido di ricircolo nello scambiatore esterno, dato dai test-run (compreso tra gli 7-9°C), e facendo il bilancio termico al nodo 2 nota la temperatura di ingresso del liquido al primo stadio calcolata dal modello.
Fig.6- Schema riassuntivo
F = 3614,5 kg/h 51,14% W = 3453,4 kg/h T = 59 °C F = 3764,5 kg/h W = 3424,1 kg/h I = 44063 T = 147 °C F = 2106,1 kg/h W = 2762,7 kg/h I = 44063 T = 52,16 °C R = 280-320 m3/h ∆T=7-9°C F = 1956 kg/h 41,19% W = 2792 kg/h T = 38,06 °C 51,01°C 2 1
Secondo stadio
Il secondo stadio ha un riempimento random di tipo Intalox Snowflake II PPL un’altezza di 3m, ed un diametro interno di 2,98m. Anche nel secondo stadio viene mantenuto un ricircolo di 280-320 m3 / h.
Dal modello teorico si ottengono i seguenti profili.
Fig.7- Profili di temperatura del gas e del liquido nel secondo stadio
Il gas continua a raffreddarsi ed esce dal secondo stadio a circa 31°C in equilibrio termico con il liquido.
Fig.8- Profili portate relative di acqua e formaldeide nel gas, secondo stadio
L’ acqua condensa nella prima metà del riempimento e successivamente si stabilizza. La formaldeide non ha andamento del tutto lineare.
Composizione liquido:
Fig.10- Profili composizione liquido, secondo stadio
Gas in uscita :
Tab.9- composizione e temperatura del gas in uscita dal secondo stadio
COMPONENTI Kg/h %P formaldeide 367,8 0,81 acqua 885,9 1,95 Inerti 44063 97,23 TOTALE 45317 100,00 T 31,02 °C
Liquido di reintegro:
Tab.10- composizione e temperatura del liquido che proviene dal terzo stadio
COMPONENTI Kg/h %P
formaldeide 217 19,19
acqua 916 80,81
TOTALE 1133 100,00
T 25,4 °C
Fig.11- Schema riassuntivo
F = 217 kg/h 19,2% W = 916 kg/h T = 25,4 °C F = 367,8 kg/h W = 885,9 kg/h I = 44063 T = 31,02 °C F = 2106,1 kg/h W = 2762,7 kg/h I = 44063 T = 52,16 °C R = 280-320 m3/h ∆T=7-9°C 30,935°C F = 1956 kg/h 41,19% W = 2792 kg/h T = 38,06 °C
Terzo stadio
Il terzo stadio ha un riempimento random di tipo Intalox Snowflake II PPL un’altezza di 3m, ed un diametro interno di 2,98m. Si mantiene un ricircolo di 280-320 m3 / h.
Dal modello teorico si ottengono i profili:
Fig.12- Profili di temperatura del gas e del liquido nel terzo stadio
Fig.14- Profili portate relative gas e liquido, terzo stadio
Fig.15- Profili composizione liquido, terzo stadio
I profili sono qualitativamente simili a quelli del secondo stadio. Il gas continua a raffreddarsi e a perdere acqua e formaldeide. Nel terzo stadio si assorbono circa 200 kg/h di formaldeide.
Gas in uscita :
Tab.11- composizione e temperatura del gas in uscita dal terzo stadio
COMPONENTI Kg/h %P formaldeide 166 0,34 acqua 678 1,51 Inerti 44063 98,16 TOTALE 44907 100,00 T 24,46 °C Liquido di reintegro:
Tab.12- composizione e temperatura acqua in uscita dal terzo stadio
COMPONENTI Kg/h %P
formaldeide 16 2.21
acqua 707 97,79
TOTALE 723 100,00
Fig.16- Schema riassuntivo F = 367,8 kg/h W = 885,9 kg/h I = 44063 T = 31,02 °C F = 166 kg/h W = 678 kg/h I = 44063 T = 24,46 °C R = 280-320 m3/h ∆T=0.93 °C 24,47°C F = 16 kg/h 2.21% W = 707 kg/h T = 24.5 °C F = 217 kg/h 19,2% W = 916 kg/h T = 25,4 °C
Rettifica
La rettifica ha un’altezza di circa 3m, ed un diametro interno di 1,99m. E’ divisa in due letti di assorbimento, il primo di 1.265m ed il secondo di 1.546m, entrambi a riempimento strutturato di tipo Intalox Structured Packing 2000 ID 304.
In testa alla viene alimentata acqua pura.
La rettifica è stata studiata ipotizzando l’ assorbimento di tipo fisico.
Per la rettifica inoltre non vale l’ ipotesi assunta per gli stadi precedenti che il riempimento sia completamente bagnato. In questo caso l’ assenza di ricircolo e la bassa quantità di acqua di reintegro non consentono una buona bagnabilità del riempimento, riducendo l’aria di scambio di circa il 50%. Andrebbe inoltre ben quantificato il calore assorbito dallo stesso riempimento non bagnato. Questa indeterminazione fa si che i risultati ottenuti per la rettifica vadano presi con cautela.
Da modello semplificato che trascura la reazione in fase liquida si ottengono i seguenti profili:
Il gas continua a raffreddarsi portandosi a circa 22.3°C, mentre il liquido per effetto dell’ assorbimento di formaldeide si riscalda da 20 a circa 24.1°C.
Fig.19- Profili portate relative gas e liquido, rettifica
La portata relativa del gas si mantiene costante, il liquido acquisisce circa 16 kg/ h di formaldeide.
Gas in uscita :
Tab.13- composizione e temperatura del gas in uscita dalla rettifica
COMPONENTI Kg/h %P formaldeide 150 0,30 acqua 676 1,51 Inerti 44063 98,46 TOTALE 44739 100,00 T 22.33 °C Liquido di reintegro:
Tab.14- composizione e temperatura acqua di make up
COMPONENTI Kg/h %P
formaldeide 00 00.00
acqua 705 100.00
TOTALE 705 100,00
Fig.20- Schema riassuntivo F = 150 kg/h W = 676 kg/h I = 44063 T = 22,33 °C F = 217 kg/h 19,2% W = 916 kg/h T = 25,4 °C F = 166 kg/h W = 678 kg/h I = 44063 T = 24,46 °C F = 0 kg/h 00.00% W = 705 kg/h T = 20.18 °C
Confronto tra il modello ed i dati sperimentali
I dati sperimentali sono stati determinati facendo una media dei valori ricavati durante i test-run effettuati sulla colonna industriale.
Fig.21- curva teorica temperatura gas in colonna e punti sperimentali
Tab.15- dati sperimentali e teorici della temperatura del gas lungo la colonna z Tgas sperimentali Tgas teoriche
0 147 147 3 52,3 52,16 6 31,2 31,03 9 25,6 24,46 12 23 22.33 Temperatura gas 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 2 4 z (m)6 8 10 12 °C
Fig.22- curva teorica temperatura liquido in colonna e punti sperimentali
Fig.23- confronto dati sperimentali e teorici della % in peso di formaldeide %F in peso nel liquido
0 10 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4 5 6 z (m) % in p eso
dati sperimentali dati teorici
Temperatura liquido 0 10 20 30 40 50 60 70 0 2 4 6 8 10 12 z (m) °C
