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Analisi delle condizioni di processo speciali

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 36144 0 . 75

@ 600 °C Kp = 265

  

7.6 317.3

  

735.4



144

 

143.6

265  NN   NN 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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PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI

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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PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI

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

 

128.8

265  NN   NN 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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PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI

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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PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI

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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PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI

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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PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI

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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PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI

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

Sommario

In generale, utilizzare condizioni prossime alla

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