Raccolta e analisi di dati sperimentali di equilibri di fase di sistemi non ideali e studio del processo di distillazione azeotropica

The design of a very high number of industrial apparata, as the distillation and absorption units, rely on the analysis of the behavior of the chemical-physical systems at the phase equilibrium. The Process Thermodynamics laboratory (PT lab) located at Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta” of Politecnico di Milano strives to fill the gaps in experimental data that the literature presents. The experimental units available at PT lab allow the collection of vapor-liquid equilibrium (VLE), vapor-liquid-liquid equilibrium (VLLE) and liquid-liquid equilibrium (LLE) data at different conditions of temperature and pressure. The quality of the data greatly depends on the experimental procedure, analyzed and defined in this thesis by collecting experimental data of different systems. The phase equilibrium study is not purely speculative, but it has a practical implication on the modeling and simulation of chemical processes within the most modern process simulators and is fundamental for the study of new systems. This work is an example of the application of this theoretical principle. Indeed, first of all, the vapor-liquid equilibrium data of the 2-Propanol-water system have been collected at PT lab at conditions not already reported in the literature, and then have been used for the thermodynamic modelling of the system. The selected model has been employed for the simulation and optimization of an azeotropic distillation process for the separation of the mixture of interest, which, having a minimum azeotrope, cannot be separated by a single standard distillation column.

Molte delle operazioni unitarie su cui si fonda l’industria chimica si basano sull’analisi del comportamento dei sistemi chimico-fisici all’equilibrio di fase. Il Process Thermodynamics laboratory (PT lab) del Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta” del Politecnico di Milano risponde alla necessità di colmare le lacune di dati sperimentali che la letteratura presenta. Gli strumenti a disposizione all’interno del laboratorio permettono la raccolta dei dati di equilibrio liquido-vapore (VLE), liquido-liquido-vapore (VLLE) e liquido-liquido (LLE). La qualità dei dati prodotti dipende in maniera sostanziale dalle procedure sperimentali adottate, la cui definizione e analisi è stata portata a termine durante il periodo di tesi attraverso la raccolta di dati sperimentali relativi a differenti sistemi. L’analisi degli equilibri di fase non è puramente speculativa. Essa ha un risvolto pratico nella modellazione e nella simulazione dei processi chimici all’interno dei più moderni simulatori di processo ed è fondamentale per lo studio di nuovi sistemi. Il lavoro di tesi svolto è un esempio dell’applicazione di tale principio teorico. Infatti i dati VLE relativi al sistema 2-Propanolo-acqua, non presenti in letteratura e raccolti durante l’attività di questa tesi, sono stati utilizzati per la modellazione termodinamica del sistema. Infine il modello termodinamico scelto è stato utilizzato per la simulazione e l’ottimizzazione di un processo di distillazione azeotropica per la separazione della miscela d’interesse, che, presentando un azeotropo di minimo, non può essere separata mediante un’unica colonna di distillazione standard.