PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI. Condizioni di Processo

(1)

Condizioni di Processo

PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI

(2)

I PFD sono stati finora accettati senza avere valutato le caratteristiche tecniche del processo

Topologia e condizioni operative sono state fornite ma non esaminate nel dettaglio

Sono state eseguite alcune valutazioni economiche, senza avere conferma che il processo può funzionare come indicato dal diagramma

La capacità di eseguire l’analisi economica di un processo chimico basata su un PFD non è una prova che il processo nella realtà funziona

Introduzione

(3)

È necessario esaminare le ragioni per le quali sono state fissate specifiche temperature, pressioni e composizioni per le correnti e le operazioni unitarie più importanti

Le specifiche per le correnti e le condizioni operative sono influenzate dai processi fisici e da considerazioni economiche e non scelte arbitrariamente

Le condizioni operative fissate per un processo molto spesso rappresentano un compromesso tra le prestazioni e i costi di capitale e operativi delle apparecchiature

Introduzione

(4)

Condizioni specifiche per separazioni e reattori

È di solito più facile regolare temperatura e pressione di una corrente che variarne la composizione

In generale, pressioni comprese tra 1 e 10 bar e temperature

comprese tra 40 °c e 260 °C non determinano severe difficoltà di

processo

(5)

Sommario



Regole euristiche per valutare la selezione delle condizioni di processo



Temperatura



Pressione



Materiali da costruzione



Esempi di funzionamento al di fuori delle regole euristiche

(6)

Regole Euristiche



Temperatura



Pressione

(7)

Temperatura



T < 40º C – Refrigerazione



Utilizzare quanto più possibile acqua di raffreddamento



Costi Operativi

 Acqua di raffreddamento (30 – 40°C) $0.354/ GJ

 Acqua refrigerata (5 – 15°C) $4.43/ GJ

cw rw

(8)

0 5 10 15 20 25 30 35 40

-50 -30 -10 10 30 50

Temperature of Refrigerant Relative Cost of Refrigeration (cw = 1)

Temperatura

(9)



T > 250ºC – hp Steam @ 260ºC (41 ate)



È necessario un circuito a sali fusi o dowtherm



Le apparecchiature a fuoco diretto sono molto costose



Vaporizzatore

 



⁶



²

2

10 10

30 K W/m 1000

kW 000

, 10

 











C T

U Q

Temperatura

(10)



C

_BM



Scambiatore di calore = $ 1.70x10

⁵



Forno = $ 1.81x10

⁶



T > 400º C



M.O.C. è un aspetto molto importante

Temperatura

(11)

Perché non usare vapore ad alta pressione?

P_sat ( bar) T_sat (ºC)

46.9 260

64.2 280

86.0 300

74.5 290

80.1 295

98.8 310

113.0 320

39.7 250

15.2 200

Grafico della tensione di vapore

(12)

Perché non usare vapore ad alta pressione?

0 20 40 60 80 100 120

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperature of Saturated Steam, ^oC

Pressure of Saturated Steam, bar

T

_crit

(13)

Pressione



Vuoto



Costi leggermente superiori a causa di anelli di rinforzo



Apparecchiature di grandi dimensioni



Rientrate d’aria



Alta Pressione



Recipienti in parete spessa - $



Infragilimento da H

₂



Sicurezza

(14)

Minimo Spessore di Parete

t : spessore di parete [m], P : pressione di progetto [bar], R : raggio del recipiente [m], S : tensione di progetto (pressione di lavoro massima ammissibile, bar) funzione del materiale e della temperatura

E : efficienza di saldatura ( ~ 0.9)

CA : sovraspessore di corrosione ( 0.00315 – 0.00625 m)

0.6 t PR CA

SE P

 



(15)



In riferimento a un recipiente con diametro di 36” con CA di ¼”, realizzato in CS con S = 13,700 psi

P t (m) t/CA

14.7 = 1 barg 0.0069 1.09 58.8 = 4 barg 0.0085 1.34 147 = 10 barg 0.0118 1.86



Se P > 10, t > CA

Minimo Spessore di Parete

(16)



Fare riferimento a diversi acciai riportati nel grafico



Per il CS, S se T > 400º C



È necessario utilizzare Stainless Steel e $



Per una data pressione



t se T

S vs. T ?

(17)

Tensione massima ammissibile per materiali da costruzione in funzione della temperatura (Perry et al.)

Effetto della Temperatura sulla Tensione Massima Ammissibile

(18)

Materiali da Costruzione

0.0 0.1 1.0 10.0

0 100 200 300 400 500

Thickness of Vessel Wall, m

CS < 300^oC CS @ 500^oC

Recipiente da 1 m di diametro realizzato in SA285 - Grade A Carbon Steel

(19)



Carbon Steel



Economico



Stainless Steel



Costoso



Migliore resistenza chimica/meccanica



Nel caso di T = 700 – 900ºC?



isolamento interno del tubo



metallo  rivestimento in refrattario

Materiali da Costruzione

(20)

Conclusioni



T < 40ºC – Refrigerazione



T > 250ºC – Apparecchiaure a fuoco diretto o Forni



T > 400ºC – Selezione del M.O.C.



P < 1 atm – Vuoto e apparecchiature di grandi dimensioni



P > 10 atm – Costi elevati

(21)

Condizioni Operative

1 atm 10 atm

Richiede forni

Richiede M.O.C.

speciali Richiede

refrigerazione

Aumenta lo spessore di parete

40º C 250º C 400º C

(22)

Ragioni per operare a condizioni speciali

Nell’esaminare PFD per processi diversi è probabile incontrare condizioni operative per reattori e separatori al di fuori degli intervalli di pressione e temperatura indicati

Queste condizioni sono state fissate, nonostante i costi aggiuntivi coinvolti, affinché il processo possa funzionare con efficienza

Quando si incontrano queste condizioni vi è sempre una spiegazione razionale

Se non si potessero identificare motivazioni, le condizioni

possono essere rilassate con vantaggio economico

(23)

Ragioni per operare a condizioni speciali

- Reattori chimici ad alta temperatura

1. Conversione all’equilibrio favorevole (reazioni endotermiche)

2. Incremento della velocità di reazione ( Arrhenius) 3. Reazione in fase gassosa

4. Incremento della selettività (reazioni competitive)

- Separatori ad alta temperatura

(24)

Ragioni per operare a condizioni speciali

Reattori

&

Separatori (temperatura)

(25)

Ragioni per operare a condizioni speciali

Reattori

&

Separatori (pressione)

(26)

Ragioni per operare a condizioni speciali

Reattori

(alimentazione non

stechiometrica)

(27)

Ragioni per operare a condizioni speciali

Altre

apparecchiature

(28)

Ragioni per operare a condizioni speciali

a. compressione in singolo stadio e raffreddamento del gas compresso

b. come a., previo raffreddamento dell’alimentazione a 80

°C

c. come b., tranne compressione in due stadi con intercooler

Esempio - È necessario fornire una corrente di azoto @

80 °C e 6 bar, a partire dalle condizioni di 200 °C e 1.2

bar. Determinare il lavoro e il calore di raffreddamento

richiesti per le alternative:

(29)

Ragioni per operare a condizioni speciali

Esempio

c_p = 3.5R c_v = 2.5R

g = c_p/c_v = 1.4

R = 8.314 kJ/kmole-K e = 0.70

T c

q 

_p



 ^g    

^{ }

 ^e

g  1

^g ¹ ^g

 1 /

 RT

_in

P

_out

P

_in ^

w

  ^



(30)

Ragioni per operare a condizioni speciali

Esempio

(31)

Analisi delle condizioni di processo speciali

(32)

Analisi delle condizioni di processo speciali

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

P elevato

(33)

Analisi delle condizioni di processo speciali

R-101 – Termodinamica e cinetica di reazione

(34)

Analisi delle condizioni di processo speciali

R-101 – Costante di equilibrio e calore di reazione

(35)

Analisi delle condizioni di processo speciali

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 K_p = 265

  



⁷^.⁶ ³¹⁷^.³

  

⁷³⁵^.⁴



¹⁴⁴

 

¹⁴³^.⁶

265  N  N   N  N N 



benzene metano

 

toluene idrogeno



p

N N N N

K 

(36)

Analisi delle condizioni di processo speciali

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

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

(37)

Analisi delle condizioni di processo speciali

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

(38)

Analisi delle condizioni di processo speciali

La presenza di reagenti in eccesso nell’alimentazione incrementa la conversione all’equilibrio

  



⁷^.⁶ ³¹⁷^.³

  

¹⁴⁴



¹⁴⁴

 

¹²⁸^.⁸

265  N  N   N  N N 

@ 600 °C K_p = 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

(39)

Analisi delle condizioni di processo speciali

La reazione ha luogo in fase gassosa La reazione è controllata cineticamente

Non ci sono reazioni secondarie significative

R-101 – Considerazioni cinetiche

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

(40)

Analisi delle condizioni di processo speciali

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

(41)

Analisi delle condizioni di processo speciali

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

(42)

Analisi delle condizioni di processo speciali

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

(43)

Analisi delle condizioni di processo speciali

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

(44)

Analisi delle condizioni di processo speciali

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

(45)

Analisi delle condizioni di processo speciali

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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Analisi delle condizioni di processo speciali

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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Analisi delle condizioni di processo speciali

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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Analisi delle condizioni di processo speciali

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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Analisi delle condizioni di processo speciali

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

(50)

Sommario



In generale, utilizzare condizioni prossime alla temperatura e pressione ambiente è attrattivo dai punti di vista economico e della sicurezza

