Passaggio di stato, fra lo stato liquido e quello vapore; l'operazione inversa
(passaggio da vapore a liquido) è detta
condensazione. Tutti i
liquidi manifestano una tendenza più o meno spiccata a passare allo stato
di gas; tale tendenza può essere misurata in termini di pressione del
vapore in equilibrio col liquido ad una certa temperatura. Questa
quantità è detta
tensione di vapore o anche (meno bene)
pressione di vapore. Il meccanismo del passaggio di stato è
abbastanza semplice a livello molecolare su un piano intuitivo. è noto
che tutti i liquidi sono composti da molecole in continuo movimento, e che
questo è tanto più forte quanto più alta è la
temperatura (per un certo liquido). è anche noto che una massa liquida
esercita sulle sue molecole una forza che tende a non lasciarle staccare;
infatti al contorno della massa liquida la distribuzione delle forze
intermolecolari è asimmetrica e si ha una risultante che tende verso
l'interno della massa e che dà origine sul piano macroscopico alla
tensione superficiale. Dunque, se una molecola per effetto dell'agitazione
termica arriva alla superficie del liquido (o si trova già in questa
posizione) con una spinta verso l'esterno sufficiente a compensare le forze che
l'attirano nel liquido, esso lo abbandona, e passa nel vapore che sovrasta il
liquido. Si può anche avere il fenomeno opposto, cioè una molecola
di vapore che per l'agitazione termica viene a contatto con la superficie
liquida viene da questa "catturata" e trattenuta nella massa. L'
e.
è quindi un processo dinamico, che si porta all'equilibrio solo
allorché la velocità con cui le molecole evaporano (cioè il
numero di queste che lascia il liquido nell'unità di tempo) è pari
al numero di molecole che condensano sul liquido. In caso opposto (cioè
di non equilibrio) si ha
e. o condensazione, secondo i casi. Da quanto
detto risulta evidente che quanto più aumenta la temperatura tanto
più aumenta la tendenza ad evaporare di tutti i liquidi, cosa che si
verifica in pratica. Vale infatti la legge di
Clausius-Clapeyron
(ricavabile teoricamente e sperimentalmente) secondo la quale:
in cui:
P =
tensione di vapore;
T = temperatura assoluta;
qv
= calore latente di evaporazione;
Vv = volume specifico
del gas (cioè volume di una certa quantità, ad es. un kg, di gas);
Vl = volume specifico del liquido. Il
calore
latente di e. di un liquido è la quantità di calore che
bisogna fornire all'unità di massa (kg, mole, kmole, ecc. secondo i casi)
di quella sostanza affinché avvenga il passaggio di stato. Ha lo stesso
valore del calore di condensazione. Esso varia con la temperatura anche per uno
stesso liquido. Per l'acqua può essere calcolato con buona approsimazione
mediante la seguente formula:
qv = 606,5 -
0,695 · t
essendo
t la temperatura cui avviene
l'evaporazione (in °C), con
qv espresso in kcalorie per
kg. Per i vari liquidi sono disponibili i dati relativi; qualora non si
avessero, il calore latente di
e. può essere stimato in prima
approssimazione mediante la
regola di Trouton, secondo la quale:
qv/Te = 23
ove
Te è la temperatura assoluta di ebollizione (in
°K). l'
ebollizione di un liquido è sempre una
e., che
avviene però non solo alla sua superficie ma anche nella sua massa. Essa
si verifica allorché la tensione di vapore del liquido è pari alla
pressione esterna (cioè dell'ambiente a contatto col liquido).
Nell'industria chimica e nella tecnica in generale l'
e. o
concentrazione è l'operazione con la quale si evapora il solvente
di una soluzione (o il liquido di una sospensione) o si utilizza allo scopo di
ottenere una soluzione più concentrata. Si distingue questa operazione da
altre analoghe, nelle quali si ha sempre trasferimento di calore e di massa
(quali la distillazione, l'essiccamento, ecc.), in quanto il soluto ha sempre
una tensione di vapore molto bassa (trascurabile) e l'
e. è
interrotta prima che si abbia la segregazione completa della fase solida. In
definitiva con questa operazione si parte da una
soluzione diluita per
giungere ad una
soluzione concentrata; se si vuole il solido si fanno
altre operazioni (cristallizzazione ed essiccamento). Il vapore che si libera
dalla soluzione è costituito da solvente praticamente puro; esso
può essere recuperato o no, secondo la convenienza economica. Va notato
che l'
e. è sempre un'operazione molto costosa, che i processi
chimici evitano se possibile. Il calore latente di
e. è sempre in
generale molto elevato; per fornirlo si ricorre solitamente a vapore a bassa
pressione e quasi saturo, che cede il suo calore di condensazione, che è
pure molto elevato. Dato che la maggior parte delle soluzioni da trattare sono
acquose, ci si trova spesso nella situazione di consumare vapore per produrre di
nuovo vapore, che però è a temperatura più bassa. Di qui
viene spontanea l'idea di riutilizzare almeno in parte il vapore prodotto
durante l'
e. per fornire una parte del calore necessario all'
e.
stessa; sono quindi impiegati diversi metodi per il recupero di calore (quali
gli
evaporatori a multiplo effetto e la
termocompressione) che
saranno visti poi. La scelta dell'
evaporatore (cioè
dell'apparecchiatura necessaria per realizzare l'
e.) dipende
essenzialmente dalla proprietà della soluzione da concentrare. In
particolare interessa la minima temperatura cui la soluzione può essere
portata senza pericolo di alterarne le caratteristiche (per distruzione termica
di prodotti), la viscosità, la tendenza a segregare fasi solide, la
tendenza a dare schiume, ecc. In base a questo e ovviamente ai costi si sceglie
il tipo di evaporatore più adatto caso per caso. La descrizione degli
evaporatori è fatta alla voce evaporatore; qui sono trattati solo
due artifici che consentono di concentrare una soluzione con minor spesa di
calore, e precisamente il multiplo effetto e la termocompressione. ║
Multiplo effetto: il multiplo effetto è uno dei principali mezzi
per risparmiare energia nell'
e. Il vapore proveniente dalla centrale
termica serve per fornire calore al primo evaporatore, nei cui tubi condensa. Il
vapore svolto dal primo evaporatore serve per riscaldare un secondo evaporatore
nel cui fascio condensa; a sua volta il vapore sviluppato in questo serve per
riscaldare un terzo evaporatore e così via. In generale però non
si hanno mai più di quattro o cinque evaporatori in serie in questo modo,
malgrado se ne siano costruiti anche con dieci effetti, cioè con dieci
stadi in serie. Si ha però che - benché la quantità di
vapore condensata in un effetto sia circa uguale a quella che da esso si svolge
per concentrazione della soluzione che esso contiene - il vapore prodotto in
ogni effetto è a temperatura (o pressione, indifferentemente, dato che
è saturo) più bassa di quello consumato. Pertanto il salto termico
disponibile su ogni evaporatore è solo una frazione di quello esistente
fra il vapore alimentato e la soluzione alimentata. Ciò fa sì che
per avere lo stesso cambio termico, si debbano avere superfici di scambio
più ampie, e ciò comporta un maggior costo di impianto.
L'ottimizzazione nei riguardi del numero di effetti è appunto realizzata
facendo un bilancio fra il risparmio sul costo di esercizio ed il maggior costo
di impianto. Per quanto riguarda il movimento della soluzione da concentrare
lungo i vari effetti, si hanno le due solite soluzioni della
controcorrente e della
equicorrente. La controcorrente (il vapore
e la soluzione da concentrare si muovono da un evaporatore all'altro in senso
opposto) è di uso generale, in quanto permette scambi termici migliori.
L'equicorrente (il vapore e la soluzione si muovono da un effetto all'altro
nello stesso senso) è adottata allorché si hanno sostanze che
potrebbero essere danneggiate da un eccessivo riscaldamento oppure che
potrebbero dare incrostazioni a temperatura elevata se molto concentrate. Il
multiplo effetto è un artificio di uso comunissimo nell'industria della
carta e in generale in tutte quelle industrie che devono concentrare succhi
naturali. ║
Termocompressione: la termocompressione è un
procedimento che consente di recuperare il calore latente di
e. del
vapore prodotto in un evaporatore per fornire il calore all'evaporatore stesso.
Si opera nel seguente modo. Il vapore prodotto nell'evaporatore viene compresso
in modo da portarlo ad una pressione tale che la sua temperatura di
condensazione sia maggiore sensibilmente di quella di ebollizione della
soluzione. In tal modo può essere miscelato a vapore vivo (solitamente
surriscaldato, se il calore generato dalla compressione non basta) e alimentato
nel fascio tubiero dell'evaporatore stesso. La condensa uscente da questo fascio
è di solito utilizzata per preriscaldare il più possibile la
soluzione alimentata, in modo da portarla circa al suo punto di ebollizione.
Normalmente si usano termocompressori comandati da motori elettrici o turbine;
raramente si usano compressori rotativi. I compressori assiali sono molto
convenienti per potenzialità elevate. Al posto del compressore si
può usare un
iniettore o
eiettore
(V.) a vapore; esso ha rendimento molto inferiore
ma in compenso ha un costo di installazione e manutenzione praticamente
trascurabile, per cui risulta conveniente in tutti i casi in cui il prezzo del
vapore è modesto. La termocompressione complica notevolmentel'impianto di
e.; essa è adottata generalmente dove l'energia elettrica
(generata da centrali idroelettriche) ha un costo basso rispetto al combustibile
impiegato per produrre vapore. Un altro caso di applicazione diffusa della
termocompressione è la produzione di acqua potabile da quella di mare in
località sperdute (o basi militari). In questo caso, benché il
costo dell'acqua prodotta sia elevato (la desalinizzazione per
e.
è molto costosa), questo sistema presenta comunque una certa convenienza,
se si tiene conto dei costi dei trasporti: invece di acqua si trasporta
combustibile e, con un metro cubo di questo, si producono molti metri cubi di
acqua.