Esame di Stato per l'Abilitazione all'Esercizio della Professione di Ingegnere II sessione 2004
Settore: Ingegneria Chimica Prova Nr 1
Si consideri il processo seguente in cui si tratta una portata di 50000 t/y di un polimero avente massa molare media pari a 25238 kg/kmol. Il polimero (1) viene riscaldato a 270°C in M-001 (2) e messo in pressione dalla pompa P-001 a 60 bar (3) per poi entrare, in fase liquida, nel reattore T-001; lì esso reagisce con acqua a 60 bar e 270 °C.
La reazione è la seguente:
POLIMERO + 259H2O -• 130CH2OH- CH2OH + 130ACIDO
a) Si opera con un eccesso di acqua (5:1 in massa). Si calcoli la composizione della corrente (5) uscente dal reattore considerando una conversione unitaria del polimero.
La corrente uscente (5) subisce un flash (adiabatico) alla pressione di 40 bar nel barilotto T-002. Si determini la composizione e la portata della fase liquida (6) e di quella vapore (7), nonché la temperatura raggiunta dalle due correnti. L'abbassamento di temperatura provoca la precipitazione dell'ACIDO nella corrente (6); si determini la quantità di solido che precipita.
b) La corrente (6) subisce un flash (adiabatico) alla pressione di 12 bar nel barilotto T- 003. Si determini la composizione e la portata della fase liquida (8) e di quella vapore (9), nonché la temperatura raggiunta dalle due correnti. L'abbassamento di temperatura provoca la precipitazione dell'ACIDO nella corrente (8); si determini la quantità di solido che precipita.
e) La corrente (8) subisce un flash (adiabatico) alla pressione di 1 bar nel barilotto T- 003. Si determini la composizione e la portata della fase liquida (10) e di quella vapore (11), nonché la temperatura raggiunta dalle due correnti. L'abbassamento di temperatura provoca la precipitazione dell'ACIDO nella corrente (10); si determini la quantità di solido che precipita.
d) II vapore (11) viene miscelato con una portata di acqua (4), da stabilirsi, nello scambiatore a miscela H-001. Il liquido uscente (12), di cui si deve determinare composizione e temperatura, viene mescolato al vapore (9) nello scambiatore a miscela H-003. Il liquido uscente (17), di cui si deve determinare composizione e temperatura, viene mescolato al vapore (7) nello scambiatore a miscela H-004.
In dipendenza della portata di acqua (4) fissata, è possibile che negli scambiatori H-001, H-003 ed H-004 non si realizzi la completa condensazione del vapore, per cui siano da prevedersi degli scambiatori ausiliari (nella figura sono indicati, a puro titolo di esempio, gli scambiatori H-002 ed H-005) e quindi un costo di raffreddamento. I vapori condensati vengono uniti al liquido (23) e riscaldati nello scambiatore H-006 alla temperatura di 270°C.
e) Si calcoli la portata di acqua (4) necessaria in modo tale da avere nel flusso (25) una portata di acqua pari a quella richieste dalle condizioni di reazione (eccesso 5:1).
Wflow-sheet in questione consente dunque di pre-riscaldare l'acqua di reazione a spese del calore latente del vapore che si libera dai flash e consente al contempo di recuperare gran parte dell'acqua utilizzata in eccesso nel reattore.
f) Si disegni lo schema di processo strumentato.
g) Si consideri come varia il costo energetico del processo (il calore da fornire allo scambiatore H-006 ed agli eventuali condensatori H-002, H-005, ...) al variare della pressione dei flash T-002 e T-003 cercando di minimizzare il costo energetico del processo (si possono considerare ad esempio coppie di valori come 40-20 bar, 30-15 bar
II candidato faccia, motivandole, le assunzioni opportune e/o necessarie.
Elenco allegati
• Solubilità dell'ACIDO in funzione della temperatura
• Tensione di vapore dell'acqua (bar) in funzione della temperatura
• Tensione di vapore del glicole etilenico (bar) in funzione della temperatura
• Tensione di vapore dell'ACIDO (bar) in funzione della temperatura
• Calore specifico dell'acqua (J/kg K) a pressione costante in funzione della temperatura
• Calore specifico del glicole etilenico (J/kg K) a pressione costante in funzione della temperatura
• Calore specifico dell'ACIDO (J/kg K) a pressione costante in funzione della temperatura
• Entalpia di vaporizzazione (J/kg) dell'acqua
• Entalpia di vaporizzazione (J/kg) del glicole etilenico
• Entalpia di vaporizzazione (J/kg) dell'ACIDO Si assuma nulla l'entalpia di cristallizzazione.
solubilità dell'ACIDO
Tensione di vapore dell'acqua (bar) in funzione della temperatura
Tensione di vapore del glicole etilenico (bar) in funzione della temperatura
Tensione di vapore dell'ACIDO (bar) in funzione della temperatura
_jQl a.
Calore specifico dell'acqua (J/kg K) a pressione costante in funzione della temperatura
Calore specifico del glicole etilenico (J/kg K) a pressione costante in funzione della temperatura
1
Calore specifico dell'ACIDO (J/kg K) a pressione costante in funzione della temperatura
8
Entalpia di vaporizzazione (J/kg) dell'acqua
DHVL vs Temperature
Entalpia di vaporizzazione (J/kg) del glicole etilenico
9
