Distillazione, Colonna di.

Apparecchiatura che serve nell'industria chimica per realizzare l'operazione di distillazione e rettifica (V. DISTILLAZIONE). Lo stesso tipo di apparecchiature può però servire anche a realizzare l'operazione di assorbimento di gas e l'operazione opposta, che è lo stripping di gas da un liquido. In questa voce saranno quindi trattate le colonne da un punto di vista generale, come uno dei tipi fondamentali di apparecchiature impiegate nell'industria chimica. Naturalmente per brevità ci si limiterà alla trattazione dei tipi più comuni. ║ Colonna a riempimento: è costituita da una torre cilindrica - di solito metallica - verticale, di altezza pari a molte volte il suo diametro (da 5 a 50 volte circa). Essa è munita di opportune finestre o bocchelli per il passaggio di gas liquidi e di altre dette passo d'uomo per permettere l'accesso all'interno per la manutenzione, oltre che per il carico e lo scarico del riempimento. Vicino al suo fondo è posta una griglia metallica sulla quale appoggia una massa di oggetti di forma opportuna che costituisce appunto il riempimento della colonna. Se l'altezza è notevole, si possono avere più griglie, ognuna delle quali sostiene solo un tratto dell'intera altezza del riempimento. Lo scopo di questo è di favorire il contatto fra il gas che si muove nella colonna verso l'alto ed il liquido che scende verso il basso. Si studiano quindi dei corpi di riempimento di forma e di dimensioni opportune per rendere migliore, per quanto possibile, tale contatto, compatibilmente con altre esigenze. I corpi in uso ormai da tanto tempo sono gli anelli Raschig; cioè dei tronchi di tubo di materiale opportuno (ferro, acciaio, ceramica, materie plastiche, ecc.), aventi un'altezza pari al loro diametro. Essi godono della proprietà che se posti nella colonna alla rinfusa non creano vie di passaggio preferenziali né per il gas né per il liquido. Le loro dimensioni devono essere in un certo rapporto col diametro della colonna; in alcuni casi però gli anelli da impiegare sono tanto grandi che si preferisce impilarli ordinatamente a mano in colonna. Oggi sono però in uso anche altri corpi di riempimento, che sono sotto qualche aspetto migliori dei Raschig. Fra questi ricordiamo gli anelli Pall, gli anelli Lessing, gli anelli a croce, gli anelli a spirale, le selle Berl e le selle Intalox. La loro caratteristica principale deve essere una buona distribuzione del liquido e del gas che ne favorisca un intimo contatto, dato che la colonna serve per realizzare un trasferimento di materia fra la fase liquida e quella gassosa: la velocità di tale trasferimento è appunto proporzionale alla superficie di contatto interfase. Un'altra cosa che spesso si chiede ai corpi di riempimento è quella di creare una bassa perdita di carico sulla fase gassosa, in modo che la pressione sul fondo della colonna non debba essere molto maggiore di quella in testa. Dalla testa della colonna viene inviato il liquido assorbente; dal fondo il gas da assorbire. Il liquido scende verso il basso ed il gas sale: lungo tutto lo strato dei corpi di riempimento si ha il contatto fra le due fasi e lo scambio di materia. Dal fondo colonna esce il liquido che trattiene la parte di gas assorbita; in testa esce il gas che non è stato assorbito. Affinché tutti i corpi di riempimento siano bagnati, il liquido che entra in testa deve essere sparpagliato su tutta la superficie dei corpi mediante un distributore (ad es. un tubo toroidale forato). Il liquido scendendo tende però a spostarsi verso le pareti e a scendere su queste, diminuendo la velocità di scambio col gas. Si usa quindi limitare l'altezza dei riempimenti; se uno di essi è troppo alto, lo si spezza in due o più parti introducendo delle griglie intermedie. Al di sotto di queste il liquido viene raccolto e ridistribuito per mezzo di un ridistributore sul sottostante tratto di riempimento. Il calcolo della colonna deve assicurare che tutti i corpi siano bagnati e che la velocità di salita del gas non sia tale da determinare l'intasamento della colonna, cioè l'hold-up ed il flooding del liquido; un'eccessiva velocità del gas può infatti impedire la discesa del liquido, e riempire di questo tutta la colonna, impedendone il funzionamento. Naturalmente la colonna deve essere poi calcolata affinché realizzi l'operazione voluta. Nel caso della distillazione e rettifica, si invia in colonna l'alimentazione ad un'altezza opportuna; dal fondo si estrae il residuo o frazione pesante (liquida) che viene in parte passata al ribollitore (in cui avviene una parziale vaporizzazione) e ritornata in colonna (sotto il riempimento) ed in parte utilizzata. Dalla testa si estrae invece il distillato o frazione leggera sotto forma di gas; questo viene di solito condensato: una parte viene rimandata in colonna a costituire il flusso di liquido, mentre l'altra viene utilizzata. Come si vede la differenza dall'assorbimento è fuori dalla colonna: all'interno il moto delle correnti è sostanzialmente uguale. La colonna a riempimento si distingue da quelle a piatti da un punto di vista ingegneristico - a parte le differenze costruttive - perché in essa il contatto gas-liquido avviene lungo tutta l'altezza del riempimento, cioè è continuo, mentre nella colonna a piatti esso avviene solo sui singoli piatti, cioè è intermittente. Per la progettazione di solito si hanno a disposizione i dati termodinamici ed altri dati (composizione delle correnti in uscita ed in entrata) e si deve fissare il diametro della colonna, l'altezza del riempimento, il tipo e le dimensioni dei corpi da impiegare per questo. ║ Colonna a piatti: il suo funzionamento è in linea di principio uguale a quello della colonna a riempimento, ed anche l'aspetto esteriore è pressoché uguale. Internamente essa è divisa in tanti tronchi da piatti orizzontali che occupano tutto il diametro della colonna, e sono posti ad una distanza fra loro che può andare da 20 cm ad un metro circa. Questi piatti sono costantemente pieni di liquido, questo arriva su un piatto da quello superiore per mezzo di un apposito scarico a stramazzo, e dal piatto passa poi a quello inferiore con lo stesso mezzo. Il piatto invece è costruito in modo da poter essere attraversato dal gas che sale, costringendo però questo a venire a contatto intimo con il liquido che sta su esso. I piatti possono essere di due tipi principali: a campanelle e forati. I piatti a campanelle sono costituiti da una lamiera forata che ostruisce la colonna (eccetto il tratto per la discesa del liquido). Sui fori - generalmente di dimensioni considerevoli (da qualche centimetro a qualche decimetro) - sono saldati dei tratti di tubo che sporgono nella parte superiore del piatto e sono detti caminetti. Su questi sono fissate a mo' di coperchi delle campanelle, cioè dei tratti di tubo di diametro sensibilmente superiore a quello dei caminetti, la cui faccia superiore è chiusa in modo da farli assomigliare appunto a campane. Il bordo delle campanelle è tutto frastagliato. Il gas salendo incontra il piatto, ed è costretto a passare nel caminetto. Di qui passa sotto la campanella donde può uscire solo scendendo fino al bordo di questa. Dato che tale bordo è sempre sommerso dal liquido che sta sul piatto, il gas per salire deve attraversare uno strato di liquido e lo fa sotto forma di bolle per le frastagliature che sono a bordo delle campanelle. Queste servono quindi come una valvola per impedire che il liquido scenda attraverso il piatto (basta che il livello dei caminetti sia superiore a quello dello stramazzo di scarico) e nello stesso tempo rompono in bolle il flusso del gas, in modo da rendere il più possibile estesa la superficie di contatto gas-liquido. Generalmente il livello del liquido va regolato in modo che le campanelle siano sommerse solo in parte da esso. Il piatto riceve il liquido vicino alla sua periferia e lo scarica in un punto analogo diametralmente opposto. Perché ciò avvenga deve essere leggermente inclinato rispetto all'orizzontale. Di solito però la portata di gas è tale che non si producono bolle di gas all'uscita di questo dalle fessure delle campanelle, ma addirittura una schiuma (che realizza un ottimo contatto gas-liquido). I piatti a campanelle hanno generalmente una perdita di calore relativamente alta per il flusso di gas; essa è superiore per ogni piatto al battente di liquido che sta sopra le fessure delle campanelle. Inoltre essi sono di costruzione lunga ed accurata, e pertanto costosi. Si tende quindi a sostituirli con piatti di altro tipo, più semplici. Uno di quelli che si è più affermato (benché sia sempre meno diffuso di quello a campanelle) è il piatto forato. Esso è un piatto in cui sono ricavati tanti fori (molto più piccoli del diametro dei caminetti dei piatti visti). La parte centrale del piatto non viene utilizzata, e quindi non è forata, anzi il liquido non ha accesso ad essa. Se la velocità del gas attraverso i fori è opportuna, il liquido che si trova sul piatto non può scendere attraverso essi, ma solo per tramite di un apposito scarico posto lungo un raggio del disco che costituisce il piatto. Ogni piatto è costruito in modo che il liquido gli giunge lungo un raggio, percorre quasi tutto il piatto libero (esclusa la zona centrale detta) con un moto circolare, indi è scaricato sul piatto inferiore ancora lungo un raggio. Se il piatto è ben progettato può funzionare in un ampio campo di portate di gas senza dare inconvenienti e con prestazioni paragonabili a quelle di un piatto a campanelle. Se vi è la possibilità che la portata di gas scenda sotto il valore minimo accettabile per il buon funzionamento del piatto, questo può essere dotato di valvole (una per ogni foro) di costruzione molto semplice. Infine la pulizia di un piatto forato è più semplice che quella di un piatto a campanelle. Un nuovo tipo di piatto appena introdotto è il piatto a griglia. Esso è costituito da una griglia, cioè da una lamiera, nella quale sono ricavate sottili fessure parallele. Attraverso queste sale il gas e scende il liquido; ciò consente anche l'eliminazione dei dispositivi di scarico del liquido da un piatto all'altro. Attraverso la griglia e nella caduta si ha una scomposizione del liquido in goccioline: ciò dà un ottimo contatto interfase onde il piatto è molto efficiente. Questo piatto è adatto per grandi portate di gas per cui si vuole una bassa perdita di carico e per liquidi che contengono piccole particelle solide in sospensione. Non è però ancora molto diffuso. ║ Colonna a diaframmi: in questo caso si hanno due tipi di piatti fra loro diversi, montati alternati. Un piatto è a forma circolare, montato al centro della colonna; un altro è a forma di corona circolare che strozza la colonna a partire dalla periferia fino a un raggio inferiore a quello del piatto a disco. Il liquido passa da un piatto all'altro cadendo in forma di film sottile; il gas che sale è costretto ad attraversare questi film anulari e quindi si ha il contatto gas-liquido. Questo non è però molto positivo; in compenso si ha sempre la controcorrente come in tutte le altre colonne (cioè un liquido fresco è portato a contatto con il gas esausto e viceversa) e si ha una bassissima perdita di carico per la fase gas. ║ Confronto fra i tipi di colonne: si prenderanno in considerazione solo le colonne a piatti e quella a riempimento, che sono i due tipi principali. Come criterio generale si può dire che per i grandi diametri è più conveniente la colonna a piatti, per quelli piccoli quella a riempimento; in casi particolari si può verificare il contrario. La colonna a riempimento presenta in generale una minor perdita di carico, onde è più adatta alle operazioni sotto vuoto; è più semplice e meno costosa nel caso di solidi corrosivi. Quella a piatti ha un più ampio campo di stabilità per quanto riguarda variazioni della portata del liquido; può funzionare anche con liquidi contenenti piccole particelle solide in sospensione; è più semplice da pulire; permette agevolmente l'estrazione o l'introduzione di materia a mezzo di correnti laterali e non pone problemi di ridistribuzione di liquido. Ancora come criterio molto generale (ma che può essere facilmente smentito) le colonne a riempimento sono più diffuse per le operazioni di assorbimento, mentre quelle a piatti sono più diffuse per le operazioni di distillazione e rettifica. ║ Efficienza dei piatti: nel calcolo del numero di piatti necessari per un'operazione di distillazione e rettifica o assorbimento si giunge a determinare il numero teorico di piatti (o numero di piatti teorici) che la colonna deve avere per realizzare l'operazione nei limiti voluti. Per il calcolo si suppone però sempre che su ogni piatto si realizzi l'equilibrio termodinamico fra gas e liquido. Questo però non è mai verificato, onde il liquido e il gas che lasciano un piatto non hanno raggiunto l'equilibrio data la brevità del tempo di contatto. Di conseguenza ogni piatto non compie tutta l'operazione di scambio che gli si è attribuita ma solo una parte, e quindi il numero di piatti che la colonna deve avere è superiore a quello teorico. Dal numero di piatti teorici si passa al numero di piatti reali dividendo per un termine (minore di uno) che è detto efficienza del piatto, e che va determinato caso per caso sperimentalmente. Nella maggior parte dei casi l'efficienza del piatto è compresa fra 0,5 e 0,9. Per le torri di riempimento si calcola l'altezza teorica del riempimento, indi lo si incrementa moltiplicando per un certo fattore (maggiore di uno) per tener conto che in tutti i punti del riempimento non si giunge mai all'equilibrio.