Processi di separazione

Per separare le diverse specie presenti in una miscela è necessario disporre di un dispositivo in cui possa aver luogo un processo in cui, grazie alla cessione di energia alla miscela sia possibile separarne i diversi componenti. Ad esempio se si ha una soluzione acquosa contenente NaCl si può operare nei seguenti modi:

1)      Fornire calore al sistema in modo che l’acqua evapori, condensandola a una temperatura più bassa

2)      Raffreddare il sistema separando l’acqua sotto forma di ghiaccio

3)      Forzare la soluzione a scorrere attraverso una particolare membrana che lasci fluire l’acqua preferenzialmente al sale

Tutti e tre i processi menzionati si rivelano di particolare interesse perché, mediante la loro applicazione viene attuata la separazione del sale disciolto nell’acqua marina. Sulla base di tali considerazioni risulta pertanto che un processo di separazione si può definire come l’operazione mediante cui una miscela di sostanze viene trasformata in due o più prodotti. Il grado di separazione che può essere conseguito in un particolare processo è caratterizzato dal cosiddetto fattore di separazione definito dalla seguente relazione:

asij = xi1 / xj1/ xi2/ xj2 = xi1 xj2/ xj1 x i2

dove xi indica la frazione molare del generico componente i, cioè il rapporto fra il suo numero di moli e il numero totale di moli del sistema in esame e 1 e 2 indicano le due correnti dei prodotti di separazione:

xi = ni/nt = ni/ ∑j  nj

In altri termini asij rappresenta il rapporto fra le frazioni molari dei due componenti i e j nelle correnti 1 e 2. Se asij = 1 non è possibile effettuare una separazione tra i componenti i e j. Se asij > 1 il componente i tende a concentrarsi nella corrente 1 in maggior misura rispetto al componente j. Viceversa, se asij < 1 il componente j tende a concentrarsi nella corrente 1. Convenzionalmente si scelgono i due componenti in modo tale che asij  risulti sempre maggiore dell’unità. Da un punto di vista generale un impianto di separazione può essere considerato come un sistema termodinamico aperto agli scambi di materia ed energia. Il normale funzionamento degli apparati continui si svolge in regime stazionario. In tale situazione i parametri intensivi che caratterizzano lo stato del sistema, quali la pressione, la temperatura e le concentrazioni delle diverse specie, non variano al variare del tempo ma differiscono nei diversi punti del sistema. I gradienti di tali variabili caratterizzano infatti le velocità dei processi con cui hanno luogo gli scambi di materia ed energia fra le diverse zone del sistema stesso. Si può applicare ad una generica apparecchiatura il principio di conservazione della materia che può essere schematizzato come segue:

[accumulo di materia entro il sistema ]=[ trasporto verso l’interno attraverso la superficie che delimita il sistema] – [trasporto verso l’esterno attraverso la superficie che delimita il sistema] +[ generazione all’interno del sistema ]– [consumo all’interno del sistema]

In assenza di trasformazioni chimiche lo schema assume la seguente forma semplificata:

( accumulo) = ( ingresso) – (uscita)

Per poter applicare quest’ultima relazione in termini quantitativi si indichi con mi la massa del componente i contenuta nel sistema e con mi(u) e mi(e) le portate in massa dello stesso componente ( massa nell’unità di tempo) rispettivamente uscenti (u) ed entranti (e) nell’apparecchiatura in esame. Il bilancio materiale assume allora la seguente forma:

dmi /dt = ∑e mi(e) – ∑u mi(u)

le sommatorie presenti al secondo membro sono condotte su tutte le correnti entranti e uscenti. Tale equazione costituisce il bilancio di materia effettuata sul componente i. Essa, infatti, riflette il fatto che l’accumulo nel tempo di un componente all’interno di un sistema è espresso dalla differenza fra l’ammontare dello stesso componente entrante nel sistema e quello uscente nell’unità di tempo. Se si sommano le equazioni del bilancio riferite ai diversi componenti si ricava l’equazione del bilancio totale di materia:

dm/dt = ∑e m(e) – ∑u m(u)

In regime stazionario le mi ed mnon variano nel tempo per cui le precedenti equazioni diventano:

e mi(e) = ∑u mi(u)

e m(e) =  ∑u m(u) 

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Author: Chimicamo

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