Miscela Zeotropica - Zeotropic mixture

Una miscela zeotropica , o miscela non azeotropica, è una miscela con componenti liquidi che hanno punti di ebollizione diversi . Ad esempio, azoto, metano, etano, propano e isobutano costituiscono una miscela zeotropica. Le singole sostanze all'interno della miscela non evaporano o condensano alla stessa temperatura di una sostanza. In altre parole, la miscela ha un glide di temperatura, poiché il cambiamento di fase avviene in un intervallo di temperatura compreso tra circa quattro e sette gradi Celsius, piuttosto che a una temperatura costante. Sui grafici della composizione della temperatura, questo glide di temperatura può essere visto come la differenza di temperatura tra il punto di bolla e il punto di rugiada . Per le miscele zeotropiche, le temperature sulla curva della bolla (ebollizione) sono comprese tra le temperature di ebollizione del singolo componente. Quando una miscela zeotropica viene fatta bollire o condensata, la composizione del liquido e del vapore cambia secondo il diagramma temperatura-composizione delle miscele.

Le miscele zeotropiche hanno caratteristiche diverse nell'ebollizione nucleata e convettiva, oltre che nel ciclo Rankine organico . Poiché le miscele zeotropiche hanno proprietà diverse rispetto ai fluidi puri o alle miscele azeotropiche , le miscele zeotropiche hanno molte applicazioni uniche nell'industria, in particolare nei processi di distillazione, refrigerazione e pulizia.

Punti di rugiada e bolle

Figura 1 : Diagramma temperatura-composizione di una miscela zeotropica

Nelle miscele di sostanze, il punto di bolla è la temperatura del liquido saturo, mentre la temperatura del vapore saturo è chiamata punto di rugiada. Poiché le linee di bolla e di rugiada del diagramma temperatura-composizione di una miscela zeotropica non si intersecano, una miscela zeotropica nella sua fase liquida ha una frazione diversa di un componente rispetto alla fase gassosa della miscela. In un diagramma temperatura-composizione, dopo che una miscela nella sua fase liquida viene riscaldata alla temperatura alla curva di bolla (ebollizione), la frazione di un componente nella miscela cambia lungo una linea isotermica che collega la curva di rugiada alla curva di ebollizione come il la miscela bolle. Ad ogni data temperatura, la composizione del liquido è la composizione al punto di bolla, mentre la composizione del vapore è la composizione al punto di rugiada. A differenza delle miscele azeotropiche, non c'è un punto azeotropico a nessuna temperatura sul diagramma in cui la linea di bolla e le linee di rugiada si intersecherebbero. Pertanto, la composizione della miscela cambierà sempre tra le frazioni dei componenti della bolla e del punto di rugiada all'ebollizione da liquido a gas fino a quando la frazione di massa di un componente raggiunge 1 (cioè la miscela zeotropica è completamente separata nei suoi componenti puri). Come mostrato in Figura 1 , la frazione molare del componente 1 diminuisce da 0,4 a circa 0,15 quando la miscela liquida bolle alla fase gassosa.

La temperatura scivola

Diverse miscele zeotropiche hanno diversi glidi di temperatura. Ad esempio, la miscela zeotropica R152a/R245fa ha un glide termico più elevato rispetto a R21/R245fa. Un divario maggiore tra i punti di ebollizione crea uno scorrimento di temperatura maggiore tra la curva di ebollizione e la curva di rugiada a una data frazione di massa. Tuttavia, con qualsiasi miscela zeotropica, il glide di temperatura diminuisce quando la frazione di massa di un componente si avvicina a 1 o 0 (cioè quando la miscela è quasi separata nei suoi componenti puri) perché le curve di ebollizione e di rugiada si avvicinano a queste frazioni di massa.

Una maggiore differenza nei punti di ebollizione tra le sostanze influisce anche sulle curve di rugiada e di bolle del grafico. Una differenza maggiore nei punti di ebollizione crea uno spostamento maggiore nelle frazioni di massa quando la miscela bolle a una data temperatura.

Miscele zeotropiche vs. azeotropiche

Figura 2 : Curve di bolla e di rugiada per miscele zeotropiche

Le miscele azeotropiche e zeotropiche hanno diverse caratteristiche delle curve di rugiada e di bolle in un grafico di composizione della temperatura. Vale a dire, le miscele azeotropiche hanno curve di rugiada e bolle che si intersecano, ma le miscele zeotropiche no. In altre parole, le miscele zeotropiche non hanno punti azeotropici. Una miscela azeotropica vicina al suo punto azeotropico ha un comportamento zeotropico trascurabile ed è quasi azeotropica anziché zeotropica.

Le miscele zeotropiche differiscono dalle miscele azeotropiche in quanto le fasi vapore e liquida di una miscela azeotropica hanno la stessa frazione di costituenti. Ciò è dovuto al punto di ebollizione costante della miscela azeotropica.

Bollente

Quando si surriscalda una sostanza, l' ebollizione del pool nucleato e l'ebollizione del flusso convettivo si verificano quando la temperatura della superficie utilizzata per riscaldare un liquido è superiore al punto di ebollizione del liquido a causa del surriscaldamento della parete.

Nucleato piscina bollente

Le caratteristiche dell'ebollizione in piscina sono diverse per le miscele zeotropiche rispetto a quelle delle miscele pure. Ad esempio, il surriscaldamento minimo necessario per ottenere tale ebollizione è maggiore per le miscele zeotropiche rispetto ai liquidi puri a causa delle diverse proporzioni delle singole sostanze nelle fasi liquida rispetto a quelle gassose della miscela zeotropica. Anche le miscele zeotropiche e i liquidi puri hanno diversi flussi di calore critici. Inoltre, i coefficienti di scambio termico delle miscele zeotropiche sono inferiori ai valori ideali previsti utilizzando i coefficienti dei liquidi puri. Questa diminuzione del trasferimento di calore è dovuta al fatto che i coefficienti di scambio termico delle miscele zeotropiche non aumentano proporzionalmente alle frazioni di massa dei componenti della miscela.

Ebollizione a flusso convettivo

Le miscele zeotropiche hanno caratteristiche diverse nell'ebollizione convettiva rispetto alle sostanze pure o alle miscele azeotropiche. Nel complesso, le miscele zeotropiche trasferiscono il calore in modo più efficiente nella parte inferiore del fluido, mentre le sostanze pure e azeotropiche trasferiscono meglio il calore nella parte superiore. Durante l'ebollizione a flusso convettivo, lo spessore del film liquido è inferiore nella parte superiore del film rispetto alla parte inferiore a causa della gravità. Nel caso di liquidi puri e miscele azeotropiche, questa diminuzione di spessore provoca una diminuzione della resistenza al trasferimento di calore. Pertanto, viene trasferito più calore e il coefficiente di trasferimento di calore è più alto nella parte superiore del film. L'opposto avviene per le miscele zeotropiche. La diminuzione dello spessore del film vicino alla parte superiore fa sì che il componente nella miscela con il punto di ebollizione più alto diminuisca nella frazione di massa. Pertanto, la resistenza al trasferimento di massa aumenta vicino alla parte superiore del liquido. Viene trasferito meno calore e il coefficiente di trasferimento del calore è inferiore rispetto al fondo del film liquido. Poiché il fondo del liquido trasferisce meglio il calore, per far bollire la miscela zeotropica è necessaria una temperatura della parete inferiore vicino al fondo rispetto alla parte superiore.

Coefficiente di scambio termico

Dalle basse temperature criogeniche a quelle ambiente, i coefficienti di scambio termico delle miscele zeotropiche sono sensibili alla composizione della miscela, al diametro del tubo di ebollizione, ai flussi di calore e di massa e alla rugosità della superficie. Inoltre, la diluizione della miscela zeotropica riduce il coefficiente di scambio termico. Diminuendo la pressione durante l'ebollizione la miscela aumenta solo leggermente il coefficiente. L'uso di tubi di ebollizione scanalati anziché lisci aumenta il coefficiente di scambio termico.

Distillazione

Figura 3 Colonna di distillazione. La miscela di mangime entra dal centro della colonna. La componente bassobollente si raccoglie nella sezione di rettificazione superiore, mentre la componente altobollente si raccoglie nella sezione di strippaggio inferiore.

Il caso ideale della distillazione utilizza miscele zeotropiche. Il fluido zeotropico e le miscele gassose possono essere separati per distillazione a causa della differenza dei punti di ebollizione tra le miscele componenti. Questo processo comporta l'uso di colonne di distillazione disposte verticalmente (si veda la Figura 2 ).

Colonne di distillazione

Quando si separano miscele zeotropiche con tre o più componenti liquidi, ciascuna colonna di distillazione rimuove solo il componente con punto di ebollizione più basso e il componente con punto di ebollizione più alto. In altre parole, ogni colonna separa puramente due componenti. Se tre sostanze vengono separate con un'unica colonna, la sostanza con il punto di ebollizione intermedio non sarà puramente separata e sarebbe necessaria una seconda colonna. Per separare miscele costituite da più sostanze è necessario utilizzare una sequenza di colonne di distillazione. Questo processo di distillazione in più fasi è anche chiamato rettifica.

In ciascuna colonna di distillazione, i componenti puri si formano nella parte superiore (sezione di rettifica) e inferiore (sezione di strippaggio) della colonna quando il liquido di partenza (chiamato composizione di alimentazione) viene rilasciato al centro della colonna. Questo è mostrato nella Figura 2 . Ad una certa temperatura, il componente con il punto di ebollizione più basso (chiamato distillato o frazione di testa) vaporizza e si raccoglie alla sommità della colonna, mentre il componente con il punto di ebollizione più alto (chiamato di fondo o frazione di fondo) si raccoglie al fondo della colonna colonna. In una miscela zeotropica, dove esiste più di un componente, i singoli componenti si muovono l'uno rispetto all'altro mentre il vapore sale e il liquido cade.

La separazione delle miscele può essere vista in un profilo di concentrazione. In un profilo di concentrazione, la posizione di un vapore nella colonna di distillazione viene tracciata rispetto alla concentrazione del vapore. Il componente con il punto di ebollizione più alto ha una concentrazione massima nella parte inferiore della colonna, mentre il componente con il punto di ebollizione più basso ha una concentrazione massima nella parte superiore della colonna. Il componente con punto di ebollizione intermedio ha una concentrazione massima al centro della colonna di distillazione. A causa del modo in cui queste miscele si separano, le miscele con più di tre sostanze richiedono più di una colonna di distillazione per separare i componenti.

Configurazioni di distillazione

Molte configurazioni possono essere utilizzate per separare le miscele negli stessi prodotti, sebbene alcuni schemi siano più efficienti e vengano utilizzati diversi sequenziamenti delle colonne per soddisfare esigenze diverse. Ad esempio, una miscela zeotropica ABC può essere prima separata in A e BC prima di separare BC in B e C. D'altra parte, la miscela ABC può essere prima separata in AB e C e AB può infine essere separata in A e B. Queste due configurazioni sono configurazioni divise in modo netto in cui la sostanza bollente intermedia non contamina ogni fase di separazione. D'altra parte, la miscela ABC potrebbe essere prima separata in AB e BC e infine suddivisa in A, B e C nella stessa colonna. Questa è una configurazione split non nitida in cui la sostanza con il punto di ebollizione intermedio è presente in diverse miscele dopo una fase di separazione.

Ottimizzazione dell'efficienza

Quando si progettano processi di distillazione per la separazione di miscele zeotropiche, il sequenziamento delle colonne di distillazione è fondamentale per risparmiare energia e costi. Inoltre, è possibile utilizzare altri metodi per ridurre i costi energetici o delle apparecchiature necessari per distillare miscele zeotropiche. Ciò include la combinazione di colonne di distillazione, l'utilizzo di colonne laterali, la combinazione di colonne principali con colonne laterali e il riutilizzo del calore di scarto per il sistema. Dopo aver combinato le colonne di distillazione, la quantità di energia utilizzata è solo quella di una colonna separata anziché di entrambe le colonne combinate. Inoltre, l'utilizzo di colonne laterali consente di risparmiare energia impedendo che colonne diverse eseguano la stessa separazione delle miscele. La combinazione di colonne principali e laterali consente di risparmiare sui costi delle apparecchiature riducendo il numero di scambiatori di calore nel sistema. Il riutilizzo del calore di scarto richiede che la quantità di calore e i livelli di temperatura dei rifiuti corrispondano a quelli del calore necessario. Pertanto, l'utilizzo del calore di scarto richiede la modifica della pressione all'interno degli evaporatori e dei condensatori del sistema di distillazione per controllare le temperature necessarie. Il controllo dei livelli di temperatura in una parte di un sistema è possibile con la tecnologia Pinch . Queste tecniche di risparmio energetico hanno un'ampia applicazione nella distillazione industriale di miscele zeotropiche: colonne laterali sono state utilizzate per raffinare petrolio greggio e la combinazione di colonne principali e laterali è sempre più utilizzata.

Esempi di miscele zeotropiche

Esempi di distillazione per miscele zeotropiche si trovano nell'industria. La raffinazione del petrolio greggio è un esempio di distillazione multicomponente nell'industria che è stata utilizzata per più di 75 anni. Il petrolio greggio è separato in cinque componenti con colonne principali e laterali in una configurazione nettamente divisa. Inoltre, l'etilene viene separato da metano ed etano per scopi industriali mediante distillazione multicomponente.

La separazione delle sostanze aromatiche richiede la distillazione estrattiva, ad esempio la distillazione di una miscela zeotropica di benzene, toluene e p-xilene.

refrigerazione

Alle miscele zeotropiche utilizzate nella refrigerazione viene assegnato un numero nella serie 400 per identificare i suoi componenti e le loro proporzioni come parte della nomenclatura. Mentre per le miscele azeotropiche viene assegnato un numero nella serie 500. Secondo ASHRAE , i nomi dei refrigeranti iniziano con "R" seguito da una serie di numeri - serie 400 se è zeotropico o 500 se è azeotropico - seguiti da lettere maiuscole che denotano la composizione.

La ricerca ha proposto di utilizzare miscele zeotropiche come sostituti dei refrigeranti alogenati a causa degli effetti dannosi che gli idroclorofluorocarburi (HCFC) e i clorofluorocarburi (CFC) hanno sullo strato di ozono e sul riscaldamento globale . I ricercatori si sono concentrati sull'utilizzo di nuove miscele che hanno le stesse proprietà dei refrigeranti del passato per eliminare gradualmente le sostanze alogenate nocive, in conformità al protocollo di Montreal e al protocollo di Kyoto . Ad esempio, i ricercatori hanno scoperto che la miscela zeotropica R-404A può sostituire l'R-12, un CFC, nei frigoriferi domestici. Tuttavia, ci sono alcune difficoltà tecniche per l'utilizzo di miscele zeotropiche. Ciò include le perdite, così come la glide ad alta temperatura associata a sostanze con diversi punti di ebollizione, sebbene la glide di temperatura possa essere abbinata alla differenza di temperatura tra i due refrigeranti durante lo scambio di calore per aumentare l'efficienza. La sostituzione dei refrigeranti puri con miscele richiede ulteriori ricerche sull'impatto ambientale, nonché sull'infiammabilità e la sicurezza delle miscele refrigeranti.

Ciclo Rankine organico

Nel ciclo Rankine organico (ORC), le miscele zeotropiche sono più efficienti dal punto di vista termico dei fluidi puri. A causa dei loro punti di ebollizione più elevati, i fluidi di lavoro zeotropici hanno una produzione netta di energia più elevata alle basse temperature del ciclo Rankine rispetto alle sostanze pure. I fluidi di lavoro zeotropici si condensano in un intervallo di temperature, consentendo agli scambiatori di calore esterni di recuperare il calore di condensazione come fonte di calore per il ciclo Rankine. La variazione della temperatura del fluido di lavoro zeotropico può essere abbinata a quella del fluido che viene riscaldato o raffreddato per risparmiare calore di scarto poiché il processo di evaporazione della miscela avviene ad un glide di temperatura (vedi Pinch Analysis ).

R21/R245fa e R152a/R245fa sono due esempi di fluidi di lavoro zeotropici che possono assorbire più calore dell'R245fa puro a causa dei loro punti di ebollizione aumentati. La potenza in uscita aumenta con la proporzione di R152a in R152a/R245fa. R21/R245fa utilizza meno calore ed energia rispetto a R245fa. Nel complesso, la miscela zeotropica R21/R245fa ha migliori proprietà termodinamiche rispetto all'R245fa puro e all'R152a/R245fa come fluido di lavoro nell'ORC.

Processi di pulizia

Le miscele zeotropiche possono essere utilizzate come solventi nei processi di pulizia nella produzione. I processi di pulizia che utilizzano miscele zeotropiche includono processi a cosolvente e processi a bisolvente.

Processi cosolvente e bisolvente

In un sistema cosolvente, due fluidi miscibili con diversi punti di ebollizione vengono miscelati per creare una miscela zeotropica. Il primo fluido è un agente solvatante che scioglie lo sporco durante il processo di pulizia. Questo fluido è un solvente organico con un punto di ebollizione basso e un punto di infiammabilità maggiore della temperatura di esercizio del sistema. Dopo che il solvente si è miscelato con l'olio, il secondo fluido, un agente di risciacquo idrofluoroetereo (HFE), risciacqua l'agente solvatante. L'agente solvatante può essere infiammabile perché la sua miscela con l'HFE non è infiammabile. Nei processi di pulizia con bisolvente, l'agente di risciacquo viene separato dall'agente solvatante. Questo rende gli agenti solvanti e risciacquanti più efficaci perché non diluiti.

I sistemi a cosolvente vengono utilizzati per oli pesanti, cere, grassi e impronte digitali e possono rimuovere lo sporco più pesante rispetto ai processi che utilizzano solventi puri o azeotropici. I sistemi a cosolvente sono flessibili in quanto possono essere utilizzate diverse proporzioni di sostanze nella miscela zeotropica per soddisfare diversi scopi di pulizia. Ad esempio, l'aumento della proporzione di agente solvatante rispetto all'agente di risciacquo nella miscela aumenta la solvibilità e quindi viene utilizzato per rimuovere lo sporco più pesante.

La temperatura di esercizio del sistema dipende dal punto di ebollizione della miscela, che a sua volta dipende dalle composizioni di questi agenti in miscela zeotropica. Poiché le miscele zeotropiche hanno punti di ebollizione diversi, il pozzetto di pulizia e di risciacquo hanno rapporti diversi di agenti pulenti e solvanti. Il solvatante con punto di ebollizione inferiore non si trova nella vasca di risciacquo a causa della grande differenza di punti di ebollizione tra gli agenti.

Esempi di solventi zeotropici

Le miscele contenenti HFC-43-10mee possono sostituire il CFC-113 e il perfluorocarburo (PFC) come solventi nei sistemi di pulizia perché l'HFC-43-10mee non danneggia lo strato di ozono, a differenza del CFC-113 e del PFC. Varie miscele di HFC-43-10mee sono disponibili in commercio per una varietà di scopi di pulizia. Esempi di solventi zeotropici nei processi di pulizia includono:

  • Le miscele zeotropiche di HFC-43-10mee ed esametildisilossano possono sciogliere i siliconi e sono altamente compatibili con i policarbonati e il poliuretano. Possono essere utilizzati per rimuovere il lubrificante al silicone dai dispositivi medici.
  • Le miscele zeotropiche di HFC-43-10mee e isopropanolo possono rimuovere ioni e acqua da materiali senza superfici porose. Questa miscela zeotropica aiuta con l'essiccazione per assorbimento.
  • Miscele di HFC-zeotropiche 43-10mee, fluorotensioattivo e antistatiche additivi sono energia-effiicient e fluidi essiccazione ambientalmente sicuri che forniscono un'asciugatura senza loco.

Guarda anche

Riferimenti