Appunti Chimica industriale

Scale

- Micro interesse nelle reazioni chimiche a livello cinetico e termodinamico.

- Meso scala superiore ma non commerciale, interesse nella definizione dei parametri che portano alla selezione del reattore migliore per la massima conversione.

- Macro interesse nello sviluppo dell’impianto industriale, in tutte le operazioni del reattore.

Sviluppo di un processo chimico

- Ricerca di laboratorio micro-scala, procedure sperimentali della reazione.

• Valutazioni economiche costo di produzione e mercato disponibile
• Costruzione impianto pilota meso-scala, disegno dell’impianto
• Valutazione economica finale
• Realizzazione impianto
• Acquisto apparecchiature
• Costruzione impianto
• Avviamento

Se l’impianto è già stato realizzato per produrre bisogna acquistare il brevetto know-how con la documentazione che comprende:

• Descrizione del processo
• Schema impianto con bilanci di materia ed energia
• Specifiche delle materie prime e dei prodotti
• Lista apparecchiature e loro dimensionamento
• Quantificazione degli stoccaggi

Rappresentazioni grafiche

Diagramma a blocchi: ogni blocco rappresenta un’operazione.

Descrizione del percorso seguito dai composti chimici, flow sheet: diagramma di flusso, con specifiche di temperatura, pressione, quantità di prodotti.

Analisi del processo

• Stechiometria industriale, bilanciamento materia ed energia
• Termodinamica e cinetica industriale
• Operazioni unitarie per la separazione del prodotto
• Sicurezza impianto
• Lista apparecchiature e dimensionamento
• Economia singole operazioni e intero processo

Velocità del processo

La reattività varia di diversi ordini di grandezza a seconda del tipo di processo che deve essere:

• Sicuro
• Sostenibile, processi che impattino poco sull’ambiente e sull’uomo
• Economico, conversione elevata dei reagenti in prodotti

L’industria chimica converte le materie prime in prodotti per altre industrie o per il consumatore.

Raw materials

Inorganiche e organiche (petrolio, carbone, gas).

Carburanti

Combustibili (10%): benzina, diesel.

Base chemical

Sostanze di base dell’industria chimica (20%): benzene, gas di sintesi, propene, NH₃, butene.

Intermedi (300)

Acido acetico, etc.

Specialty

Prodotti finali per il consumatore.

Problema energetico

Il fabbisogno energetico aumenta notevolmente dal 1850 con un aumento del 2,3% l’anno con un comportamento anomalo, oscillatorio con periodicità di 54 anni. (ciclo di Kondratiev).

La domanda di energia cresce con la crescita della popolazione mondiale.

Le fonti di energia che consumiamo derivano per il 31% dal petrolio, carbone e gas naturale con piccole percentuali da fonti rinnovabili CDR (10%).

Riserve di carbone da: Asia e Pacifico, Nord America e Europa.

Riserve di gas naturale: Russia, Iran, USA.

Riserve di petrolio: Venezuela (difficile estrazione), Arabia Saudita e Canada.

Dal 2011 l’America ha un contributo maggiore nella produzione di petrolio poiché ha iniziato ad utilizzare la tecnica del fracking, costosa, per rendersi indipendenti dalle importazioni che in quel periodo provenivano dai paesi coinvolti nelle guerre della Primavera Araba; le guerre hanno fatto schizzare il prezzo del petrolio.

Fracking

Tecnica per estrarre gas e petrolio da scisto, shale oil, impregnato nelle rocce. Idrofracking: pressurazione attraverso notevoli quantità d’acqua a pressione mandate nel pozzo petrolifero. Il terreno viene prima trivellato in verticale e poi in orizzontale, all’acqua sono state aggiunte delle sostanze chimiche capaci di "strappare" il gas o il petrolio dalle rocce; l’acqua riesce in parte dal pozzo e viene separata dalle sostanze.

Problematiche del fracking

• Inquinamento delle falde acquifere poiché l’acqua utilizzata è ricca di sostanze tossiche e cancerogene, 80% torna in superficie mentre il 20% rimane nel pozzo petrolifero
• Inquinamento atmosferico, notevoli gas, emissioni che salgono fuori controllo
• Spreco di risorse idriche, poiché servono notevoli quantità d’acqua
• Incremento dei fenomeni sismici, a causa dei trivellamenti, distese di terreno bucate

Centrale termoelettrica

Il combustibile bruciando riscalda un fluido, H₂O (passaggio energia elettrica in termica) che diventa vapore, il vapore muove una turbina (termica in meccanica) che a sua volta un alternatore il quale origina la distribuzione di energia elettrica. C’è una perdita enorme di elettricità. Il combustibile è formato dal 40% da carbone, 20% gas naturale e 10% petrolio.

In Italia

• Acquistiamo molta energia da paesi instabili
• Produciamo poco e solo energia termoelettrica utilizzando soprattutto gas naturale al contrario di altri paesi come la Francia che utilizza all’80% nucleare e carbone

C’è perciò un elevato consumo di combustibili fossili che comporta un notevole impatto ambientale, come l’emissione di gas serra.

Effetto serra

Schermo nell’atmosfera costituito da uno strato di gas che permette alle radiazioni solari di passare attraverso questi gas i quali riescono a mantenere la temperatura della Terra intorno ai 15°C. L’emissione di CO₂ crea un ispessimento dello strato che permette alle radiazioni di entrare ma non permette la fuoriuscita e ciò provoca un aumento della temperatura terrestre. In alcuni paesi come la Siberia e il nord del Canada può avere dei giovamenti ma nell’area mediterranea e non solo provoca siccità e malattie. L’aumento della CO₂ comporta molti cambiamenti climatici a livello globale, come lo scioglimento dei ghiacciai.

Energie per il futuro?

Due approcci

1. Approccio di continuità di Marchetti: equazioni epidemiche, non dipendono dall’attività umana; quando si è passati da una fonte energetica all’altra (54 anni per il ciclo Kondratiev) non era perché la risorsa stava terminando ma era per questioni economiche ossia il costo della fonte utilizzata era diventato troppo alto.
2. Energy Mix: non bisogna utilizzare solo una fonte ma varie in modo da non avere mai grossi problemi di materie prime e costi elevati. Si andrà ad eliminare progressivamente i combustibili fossili che nel 2050 saranno circa 1/3 della produzione totale dell’energia primaria.

Centrale a ciclo combinato

Rendimento 60%, più efficienti per il recupero di calore.

A gas naturale

L’aria viene compressa a miscelata nella camera di combustione con il gas naturale, con la combustione si generano dei gas che si espandono e vanno a far ruotare la turbina a gas che fa girare l’alternatore, il quale distribuisce l’energia elettrica. Nella turbina non vengono dispersi i gas ma vengono convogliati ad un generatore di vapore. I gas scambiano calore con acqua che vaporizza e viene convogliata nella turbina a vapore che fa ruotare la turbina e l’alternatore da cui si distribuisce energia.

A vapore

Viene effettuato un recupero di calore che viene condensato con dell’aria e successivamente viene spedito al generatore.

Centrale nucleare

A partire da una combustione nucleare: energia nucleare termica meccanica elettrica

I neutroni liberi di muoversi possono collidere con il nucleo, con urti elastici e anelastici, così si forma un nucleo instabile che si scinde in due nuclei più leggeri. L’isotopo 235 dell’URANIO quando avviene la scissione del nucleo si generano due o più frammenti che corrispondono a dei nuclei più leggeri. Fenomeno chiamato fissione nucleare. Durante la fissione si libera una notevole quantità di energia: 1 kg di uranio genera una quantità di energia pari a quella generata dalla combustione di 14 tonnellate di petrolio. L’isotopo dell’uranio 235 è presente in percentuale molto bassa 0.7% nell’uranio naturale, la parte rimanente è costituita dell’isotopo 238 che non è fissile, è chiamata fertile, se riesce ad assorbire un neutrone si può trasformare in un altro isotopo fissile che non è presente in natura, PLUTONIO 239.

Come funziona il reattore?

Nel nocciolo c’è il combustibile, l’uranio, il nocciolo viene raffreddato da un circuito ad acqua primario, quest’acqua si scalda a temperature elevate 300/330 °C, ma nel circuito non ci deve essere vapore perciò l’acqua è sottopressione. L’acqua del circuito primario scalda l’acqua del circuito secondario (a temp e pressione inferiori) che genera vapore, il quale mette in moto la turbina che trascina l’alternatore che genera l’energia elettrica. Il vapore di rifiuto a bassa pressione che esce dalla turbina va a finire in un terzo circuito ad acqua dove viene raffreddato nelle torri di raffreddamento.

Vantaggio scarso quantitativo di combustibile per generare energia elettrica

Svantaggi svariati incidenti

Incidenti

Chernobyl 1986 incidente provocato da errori umani, aumento della potenza del nocciolo del reattore che provocò la scissione dell’acqua di refrigerazione, H₂ e O₂. Il contatto con l’aria innescò una forte esplosione che provocò lo scoperchiamento del reattore che provocò l’incendio e la fuoriuscita di materiale radioattivo con le nubi radioattive.

Fukushima 2011 incidente provocato da fenomeni naturali, un terremoto provocò anche uno tsunami che fece saltare la corrente. Tutti i reattori interruppero le reazioni di fissione ma lo tsunami distrusse i generatori di emergenza che dovevano fornire energia per far funzionare le pompe di raffreddamento. Ciò ha portato delle esplosioni sempre per reazione dell’aria con idrogeno che causò il rilascio di materiale radioattivo.

Entrambi nello scoppio non hanno provocato tanti morti ma hanno provocato diversi tipi di tumore nella popolazione.

Un referendum in Italia nel 1987 dice no alle centrali nucleari.

Amplificatore di energia

Acceleratore di particelle che spara i protoni verso un bersaglio di piombo; i neutroni prodotti sono indirizzati verso il TORIO 232 che si trasforma in URANIO 233 che si distrugge liberando energia. Il vantaggio è la minor produzione di scorie radioattive e la sicurezza del reattore poiché per bloccare la reazione basta spegnere l’acceleratore di particelle.

È possibile continuare ad impiegare i combustibili fossili senza provocare effetti sull’ambiente? Quindi con emissioni quasi zero di CO₂?

Risposta sì, se impieghiamo i combustibili fossili non puri ma attraverso una loro conversione ad idrogeno, impiegato come combustibile e sequestrando la CO₂ che si forma per evitare le emissioni.

Per il futuro

L’elettricità non potrà essere utilizzata a breve come sostituente dei combustibili fossili come nel campo dei trasporti, ossia l’impego dei carburanti, non tutti i trasporti saranno elettrici, inoltre l’elettricità comporta emissioni di CO₂.

Possiamo sperare nella sostituzione a breve termine del gas naturale con l’idrogeno.

Come si produce l’idrogeno?

Non presente in natura, può essere prodotto con diversi metodi dal nucleare al solare attraverso la dissociazione dell’acqua, o con il steam reforming, con vapore a partire dai combustibili fossili.

Metodi di produzione di idrogeno

• Elettrolisi sfruttando le fonti rinnovabili o il nucleare. Il problema è che la dissociazione dell’acqua avviene ad alta temperatura 800/1000 °C e quindi richiede molta energia.
• È necessaria energia elettrica a basso costo come il nucleare.
• Invece prendendo l’energia solare attraverso il fotovoltaico non risulta conveniente.
• Idroelettrica: se si potesse utilizzare avremo enormi fonti di acqua da poter utilizzare e un notevole quantitativo di idrogeno e quindi di energia dato dall’acqua, il problema è il costo quindi per ora questa via non è percorribile.
• Metodi vegetali per via fotosintetica ma piccole produzioni.
• Dal petrolio e gas naturale steam reforming in cui si tratta l’idrocarburo o il metano con vapore ad alta temp e si ottiene idrogeno ma anche anidride carbonica.
• Dal carbone di può effettuare la gassificazione, combustione in difetti di ossigeno che genera la miscela gas di sintesi CO e H₂.

Costi produzione: inferiore steam reforming del gas naturale, differenza tra ciclo termochimico da nucleare ed elettrolisi da nucleare, nella seconda si impiega l’energia elettrica prodotta dalla centrale nucleare per scindere l’acqua, il primo è un ciclo ottenuto portando ad alta T l’acqua e poi sfruttando l’energia elettrica.

Metodo Fukai

Giapponese 2010 nuova tecnologia per ottenere idrogeno a minor prezzo rispetto ad altre tecnologie. Prevede l’aggiunta di metallo, alluminio o magnesio, ad una sostanza liquida, chiamata acqua funzionale, l’acqua si scinde senza impiegare troppa energia. Non ha avuto molto successo perché l’alluminio utilizzato è costoso, una volta scissa l’acqua si trova sotto forma di ossido di alluminio che poi va riportato ad elementare.

La progressiva riduzione della CO₂ fa sì che l’uomo non prenda impegni seri per l’eliminazione dei combustibili fossili.

"Sequestrare" CO₂

Trattenere la CO₂ significa renderla liquida a 73 atm che corrisponde ad intrappolarla ad una profondità di 700 metri. Si possono assorbire notevoli quantità di CO₂ in:

• Pozzi di petrolio e di gas naturale quando si effettua una perforazione per l’estrazione di petrolio e gas naturale, il pozzo diventa esausto e non risulta essere più conveniente economicamente estrarre il combustibile dopo che si è estratto già il 60%. Risulta conveniente utilizzare CO₂ per recuperare il materiale organico, combustibile, presente ancora nei pozzi esausti.
• Immagazzinare nelle falde acquifere profonde ma la CO₂ è acida e altererebbe l’acidità della falda e di conseguenza ci saranno problemi all’ecosistema.

Due progetti per il sequestro della CO₂

1. In America, per aumentare il recupero di petrolio.
2. In Norvegia per recuperare il gas naturale si impiega la CO₂, hanno a che fare con due gas che usciranno insieme dal pozzo, andranno separati, stripping, dopodiché rimettere la CO₂ nella falda (costi in più).

È possibile effettuare un impianto per la produzione di energia elettrica con idrogeno come combustibile?

Sostituzione del gas naturale, olio combustibile e carbone con l’idrogeno.

SI, uno studio di fattibilità realizzato dagli italiani, due possibilità di centrali a partire da H₂:

1. Centrale termoelettrica senza camino, le uniche emissioni che ci saranno sono acqua, vapore, emissioni zero. Alti rendimenti 73% e notevole potenza. Ciclo chiuso alimentato ad H₂ e O₂.
2. Centrale a ciclo ibrido, utilizza idrogeno per produrre elettricità con una cella a combustibile e ibrida perché si impiegano anche delle turbine a gas, rendimento 60%.

Celle a combustibile

Dispositivo elettrochimico che converte direttamente l’energia di un combustibile in elettricità e calore senza passare attraverso ciclo termici. Composta da due elettrodi separati da un elettrolita, le reazioni che avvengono agli elettrodi consumano H₂ e O₂ e producono acqua, attivando un passaggio di corrente elettrica. L’elettrolita conduce gli ioni prodotti da una reazione verso l’altra reazione. Anodo ossidazione di idrogeno ad H⁺, mentre al catodo avviene la riduzione ad ossigeno.

Veicoli con cella combustibile a bordo, quindi a idrogeno, pro e contro:

Energia utilizzata nell’industria chimica

L’impiego di combustibili fossili è indispensabile nelle fornaci o per riscaldare i fluidi di processo o per generare vapore, come materia prima o come combustibile.

L’impiego di vapore è molto utilizzato nell’industria chimica:

• Come mezzo di reazione
• Per scambio termico, per riscaldare fluidi di processo
• Come aiuto nella distillazione

Il vapore può essere utilizzato in diversi modi:

• Saturo, non contiene umidità
• Umido, contiene umidità
• Surriscaldato, non contiene umidità e si trova al di sopra della sua temp di saturazione

Il vapore di scarico è esausto viene utilizzato come sistema di riscaldamento per il processo chimico per ridurre i costi nell’energia elettrica, chiamati impianti di cogenerazione in cui viene generata contemporaneamente energia elettrica e il calore per riscaldare i fluidi di processo.

Analisi combustibili

Gas naturale

Miscela di idrocarburi, il maggiore costituente è il metano che varia a seconda della zona in cui il materiale organico si è formato. (es gas del Messico 97% metano, gas algerino 83%, gas del Texas circa 50%). Si può trovare associato al petrolio, gas associato, oppure non associato. Non viene impiegato solo come combustibile per la produzione di energia ma anche come materia prima per l’industria petrolchimica. Può contenere piccole o più quantità di gas di origine non idrocarburica come la CO₂, azoto o idrogeno solforato.

Si definisce gas naturale:

• Secco se contiene solo piccole quantità di idrocarburi condensabili a temp ambiente (etano, propano, butano, a cinque atomi di carbonio).