PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Analisi delle condizioni di processo speciali
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
reattore separatore HP
preriscaldatore forno raffr. prodotto Rx
valvola spurgo FG
valvola separatore LP
600-654°C, 25-24 bar 23.9 bar
T elevato
T elevato
P elevato
P elevato
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R-101 – Termodinamica e cinetica di reazione
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R-101 – Costante di equilibrio e calore di reazione
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R-101 – Funzionamento ad alta temperatura
La reazione è esotermica: l’aumento della temperatura determina la riduzione della conversione all’equilibrio
conversione effettiva
144 36 144 0 . 75
@ 600 °C Kp = 265
7.6 317.3
735.4
144
143.6265 N N N N N
benzene metano
toluene idrogeno
p
N N N N
K
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R-101 – Funzionamento ad alta pressione
Dalla stechiometria della reazione, il numero di moli di reagenti e prodotti non varia
La pressione non ha effetto sulla conversione di equilibrio
Dal punto di vista termodinamico non è giustificato il funzionamento ad alta pressione del reattore
R-101 – Funzionamento ad alta temperatura
La conversione all’equilibrio rimane elevata nonostante l’alta temperatura
Dal punto di vista termodinamico non è giustificato il funzionamento ad alta temperatura del reattore
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La presenza di prodotti di reazione nell’alimentazione riduce la conversione all’equilibrio
Il calcolo ha dimostrato che, alle condizioni selezionate per il funzionamento del reattore, la conversione rimane alta nonostante la presenza di metano nell’alimentazione
R-101 – Funzionamento in condizioni non stechiometriche
1. Il toluene è il reagente limitante
2. L’drogeno è il reagente in eccesso (> 400%)
3. Il metano (prodotto della reazione) è presente in quantità significativa
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La presenza di reagenti in eccesso nell’alimentazione incrementa la conversione all’equilibrio
R-101 – Funzionamento in condizioni non stechiometriche
7.6 317.3
144
144
128.8265 N N N N N
@ 600 °C Kp = 265
conversione all’equilibrio
128 . 8 144 0 . 895
Le considerazioni basate sulla termodinamica non spiegano la selezione di un’alta temperatura, un’alta pressione e la presenza dei prodotti di reazione nell’alimentazione
La presenza del forte eccesso di idrogeno è l’unico effetto positivo previsto dalla termodinamica
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La reazione ha luogo in fase gassosa La reazione è controllata cineticamente
Non ci sono reazioni secondarie significative
R-101 – Considerazioni cinetiche
R-101 – Funzionamento ad alta temperatura
In una regione dove la cinetica è controllante, la velocità di reazione aumenta rapidamente con la temperatura
E = 148.1 kJ/mole 400 °C 600 °C rapporto velocità di reazione
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R-101 – Funzionamento ad alta temperatura
La dimensione del reattore aumenterebbe di circa tre ordini di grandezza se la reazione fosse operata a 400 °C invece di 600 °C
Molte reazioni non sono controllate dalla cinetica
In molti casi, la velocità di reazione è controllata dal trasferimento di calore e di materia
Questi meccanismi non sono così sensibili a variazioni di temperatura come lo sono invece le costanti di velocità della reazione
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R-101 – Funzionamento ad alta pressione
Per le reazioni in fase gassosa, la concentrazione dei reagenti è proporzionale alla pressione
Per la situazione in cui la velocità di reazione è direttamente proporzionale alla concentrazione, il funzionamento a 25 bar piuttosto che a 1 bar incrementa la velocità di reazione di un fattore 25 (gas ideale)
Anche in mancanza di informazioni certe circa l’effetto della concentrazione, si può prevedere che l’effetto della pressione sia probabilmente sostanziale, e la dimensione del rettore sia
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L’alimentazione al reattore contiene sia idrogeno in eccesso sia metano prodotto dalla reazione
Metano nell’alimentazione
L’effetto del metano è ridurre la concentrazione dei reagenti
Questa riduzione riduce la velocità di reazione e determina un impatto negativo
Il metano potrebbe ridurre la formazione di sottoprodotti, ma allo stato non si hanno informazioni sufficienti da suggerire che questo si verifichi
R-101 – Funzionamento in condizioni non stechiometriche
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Eccesso di idrogeno nell’alimentazione
Il forte eccesso assicura che la concentrazione di idrogeno rimanga elevata all’interno del reattore, incrementando la velocità di reazione Sebbene non ci siano informazioni dirette, l’eccesso di idrogeno può essere legato alla riduzione della formazione di sottoprodotti
Il funzionamento ad alta temperatura, l’eccesso di idrogeno e l’elevata pressione assicurano un incremento della velocità di reazione e una riduzione del volume del reattore
R-101 – Funzionamento in condizioni non stechiometriche
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Eccesso di idrogeno nell’alimentazione
Il catalizzatore non è “caldo”, cioè è ancora operativo nel regime controllato dalla reazione e non sono ancora presenti limiti introdotti dal trasferimento di materia
Per queste condizioni, la manipolazione di temperatura e pressione è essenziale per limitare la dimensione del reattore
Esiste una significativa penalità economica nell’usare più del 400% di idrogeno in eccesso, giustificata evidentemente dal ruolo di prevenzione nella formazione di sottoprodotti
R-101 – Funzionamento in condizioni non stechiometriche
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Questo recipiente separa toluene e benzene come liquidi dai gas non condensabili idrogeno e metano
Il VLE si stabilisce alle temperatura e pressione della corrente che entra nel V-102
La bassa temperatura (38 °C) deve assicurare la formazione di una fase liquida per il VLE e la pressione deve essere mantenuta per supportare la formazione di questa fase
Poiché la separazione può essere influenzata facilmente ad alta pressione, è utile mantenere il V-102 a questa elevata pressione
V-102 – Separatore di fase ad alta pressione
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Esiste un salto motore di temperatura molto elevato, poiché il mezzo riscaldante è alla temperatura di circa 250 °C e l’ingresso allo scambiatore è di soli 30 °C
La differenza di temperatura è superiore ai 100 °C stabiliti dalle linee guida riportate nelle tabelle
È un esempio di mancata integrazione termica che ha bisogno di ulteriori approfondimenti
E-101 – Riscaldatore della carica al reattore
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La corrente 9 è raffreddata da 654 °C a 40 °C mediante acqua di raffreddamento disponibile a circa 35 °C
La differenza di temperatura è superiore ai 100 °C stabiliti dalle linee guida riportate nelle tabelle
La corrente da raffreddare contiene energia valorizzabile che altrimenti verrebbe persa
Di nuovo, è necessario ricorrere all’integrazione termica
E-102 – Refrigerante del prodotto del reattore
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Lo scopo di questa valvola di controllo è di ridurre la pressione della corrente entrante nella linea del fuel gas da 23.9 a 2.5 bar
Questa riduzione di pressione rappresenta una perdita di lavoro utile attraverso l’azione di stozzamento nella la valvola
Dalle linee guida riportate nelle tabelle si può osservare che è possibile in questi casi recuperare lavoro mediante una turbina, sebbene questa soluzione non sia economicamente attrattiva
La presenza di questa valvola è giustificata a causa della sua funzione di controllo
Valvola di controllo della pressione sulla corrente 8
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Lo scopo di questa valvola di controllo è di ridurre la pressione della corrente liquida uscente dal V-102 e regolare la pressione dell’alimentazione alla colonna T-101
Questa riduzione di pressione determina un flash supplementare e il recupero del metano e dell’idrogeno disciolti dalla miscela benzene/toluene
Il gas è separato nel V-103 ed inviato alla linea del fuel gas
Poiché la corrente che attraversa la valvola è esenzialmente tutta in fase liquida, solo una quantità di lavoro limitata potrebbe essere
Valvola di controllo della pressione sulla corrente dal V-102 al V-103
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