Configurazione dei simulatori di processo

Definite le condizioni stazionarie dello schema di processo, si riproduce lo schema all’interno di Aspen Plus, lo si esporta in Aspen Plus Dynamics e si analizza la dinamica della risposta del sistema in anello chiuso. Sono necessari alcuni commenti su come è possibile riprodurre lo schema di processo all’intero di Aspen Plus, che è riportato integralmente insieme alla tabelle delle portate in Appendice C, Figura C.1 e Tabella C.2. In primo luogo, la suite di Aspen non permette di simulare efficacemente in maniera dinamica la camicia di raffreddamento di un reat-tore. Per questo motivo si modella la camicia combinando un processo di flash (che garantisce che la temperatura della camicia sia uniforme) con una corrente termica in uscita dal reattore. Proprio perché la camicia è modellata come un processo di flash è necessario introdurre una corrente di vapore in uscita dalla stessa. Una volta che la simulazione è esportata in formato dinamico la valvola in testa alla camicia viene chiusa e la camicia si comporta correttamente senza produrre una uscita in fase vapore. A stato stazionario la corrente termica è unidirezio-nale, cioè il valore di potenza termica scambiata è definito a priori impostandolo nel reattore, e non dipende dalla differenza di temperatura tra flash e reattore. Questa limitazione è rimossa nella simulazione dinamica. In secondo luogo per far convergere l’anello chiuso composto dal-l’acqua di ricircolo, è necessario prevedere un tear stream, corrente 19 in Figura C.1; anche in questo caso, esportata la simulazione in formato dinamico, è sufficiente chiudere la valvola in ingresso alla camicia per isolare il circuito di raffreddamento.

Aspen Plus permette di dimensionare in dettaglio il recuperatore di calore, le cui caratteristiche dimensionali sono riassunte in Tabella C.1, e di calcolare il parametro n della dipendenza del coefficiente di scambio termico dalla portata; il processo di fitting è riportato in Figura 3.4, i risultati numerici in Tabella 3.5.

5 10 15 20 25 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Figura 3.4. Fitting del coefficiente globale di scambio termico al variare della portata di ricircolo all’interno del recuperatore di calore.

Il coefficiente globale di scambio termico come si vede assume valori particolarmente elevati. È però possibile giustificare questi dati tenendo conto delle alte portate in gioco e considerando che sia lato mantello che lato tubi si sta alimentando acqua. Si esporta quindi in formato

dinami-Tabella 3.5. Risultati del fitting del parametro n il recuperatore di calore con bypass del sistema di raffreddamento del reattore di idrogenazione.

˙

m_ref(kg s^-1) n (-) R²

11.5 0.1707 0.9967

co la simulazione. Le modifiche necessarie sono la modellazione dello scambio termico legato alla camicia di raffreddamento, il dimensionamento delle valvole, la creazione del sistema di controllo ed impostare il numero di giri nominale della pompa di ricircolo.

Per rendere dinamico il trasferimento di calore associato alla camicia di raffreddamento è ne-cessario introdurre manualmente una nuova equazione nella simulazione dinamica, l’equazione di interesse è:

˙

Q_J = − ˙Q_R= U_JA_J(T_R− T_J), (3.5)

Con ˙Q_J (kJ s⁻¹) la potenza termica in ingresso alla camicia, ˙Q_R (kJ s⁻¹) quella in uscita dal reattore, U_J (W m⁻²K⁻¹) e A_J (m²) il coefficiente globale di scambio termico e la superficie di scambio associate alla camicia, TR (K) la temperatura del reattore, uniforme per il modello di reattore scelto, e T_J (K) la temperatura della camicia di raffreddamento, anche questa costante per via dell’alta portata di fluido di raffreddamento. L’equazione è inserita nel compilatore Flowsheetdi Aspen Plus Dynamics nella forma:

CONSTRAINTS

// Flowsheet variables and equations

Blocks("Jacket").Qr=3.6_*0.001_*(42.30_*(BLOCKS("REACTOR" ).T-BLOCKS("JACKET").T));

END

dove i coefficienti 3.6 e 0.001 servono a convertire la potenza termica in GJ h⁻¹, mentre 42.30 è il valore del prodotto U_JA_J. In particolare questa equazione rende il sistema sovradeter-minato, in quanto il numero di incognite della simulazione è la stessa, mentre il numero di equazioni è aumentato di uno. È quindi necessario introdurre una nuova incognita, portando Blocks("Reactor").Qr, ovvero ˙Q_R da FIXED a FREE nel menù delle variabili del reat-tore. Così facendo la camicia si comporta correttamente. Si osservi che in seguito alla chiusura della valvola in testa alla camicia di raffreddamento, smette di essere asportato il calore dovuto all’evaporazione di acqua dalla camicia. Per questo motivo la portata di acqua che deve essere alimentata al bypass, nelle simulazioni dinamica passa da 11.5 kg s⁻¹ a quasi 13 kg s⁻¹.

Il dimensionamento delle valvole segue quanto fatto in §2.2.3, il risultato è riportato in Tabella 3.6.

Per quanto riguarda il numero di giri della pompa Aspen Plus Dynamics li imposta nominal-mente a 3600 RPM, ma questo significa che durante l’operazione delle valvole questo valore potrebbe aumentare ulteriormente. Al fine di risultare aderenti al range proposto in Boyce et

Simulazione dinamica del sistema di raffreddamento di un processo di idrogenazione 77

Tabella 3.6. Coefficienti di efflusso ed azione delle valvole di regolazione

Valvola K_v^{ m3} h bar0.5  Azione V₅ 160.0 AC V₆ 160.0 AO

al. (2007, pag. 10-34), si riduce il numero di giri nominali della pompa a 1500 RPM. Questa variazione non impatta in alcun modo la simulazione, serve solo per avere un numero di giri corretto. In ultimo si introduce il sistema di controllo, visibile in Figura 3.5.

P-101 EXCH JACKET MIXER MIXER2 P-102 REACTOR SPLITTER V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 FC-103 LC-101 PC-101 FC-101 FC-102 X MULTIPLIER TC-102 TC-101 VPC-101 1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 20 21 22 23 24 3 4 5 6 7 8 9 HEAT

Figura 3.5. Schema di processo in Aspen Plus Dynamics del reattore di idrogenazione con ricuperatore conbypass.

TC-102 è sintonizzato usando le relazioni ottenute in Tabella 2.13, mentre TC-101 (insieme ad FC-103) è stato sintonizzato utilizzando il metodo ATV con le relazioni di Tyreus-Luyben, riducendo leggermente il guadagno per evitare una sintonizzazione troppo aggressiva. In ultimo per VPC-101 si è scelta una sintonizzazione molto conservativa. Il suo scopo è quello di au-mentare lentamente la produttività (e quindi l’anilina alimentata) fino a che la valvola di bypass raggiunga una condizione limite di apertura del 10 %. Per evitare quindi che sia influenzato da disturbi si riduce di molto il guadagno, al fine di rendere efficace quasi solo l’azione integrale del regolatore. I risultati della sintonizzazione sono riassunti in Tabella 3.7.

Tabella 3.7. Sintonizzazione regolatori legati al controllo di temperatura nello schema del reattore di idrogenazione con recuperatore conbypass.

Controllor Span K_C ^%_%
τI(s) Azione FC-103 60 kg s⁻¹ 1 2.4 Inversa TC-101 254 K 50 1200 Inversa TC-102 100 K 9 50 Inversa VPC-101 100 % 0.01 60 Diretta