Chimica industriale - Compendio appunti

Chimica

Industriale

Riassunto complessivo

Rachele Monnetti

Giugno 2021

Chimica Industriale

Sommario

Parte Prima – Industria chimica di base ............................................................................................................ 5

Principi teorici e pratici di distillazione e rettifica ......................................................................................... 5

Produzioni dell’industria chimica .............................................................................................................. 5

Parametri di reazione ................................................................................................................................ 5

Parametri termodinamici .......................................................................................................................... 6

Separazione di prodotti liquidi: distillazione e rettifica ............................................................................. 6

Principi teorici di distillazione e rettifica ................................................................................................... 7

Colonna di distillazione .............................................................................................................................. 9

Calcolo del numero di piatti teorici di una colonna di rettifica ............................................................... 10

Liquefazione e frazionamento dell’aria ....................................................................................................... 11

Liquefazione dell’aria

............................................................................................................................... 11

Frazionamento dell’aria ........................................................................................................................... 15

Usi dell’azoto e dell’ossigeno .................................................................................................................. 17

PSA (Pressure Swing Adsorption) ............................................................................................................ 17

Produzione industriale di Syngas ................................................................................................................. 17

Gassificazione .......................................................................................................................................... 18

Reforming ................................................................................................................................................ 19

Depurazione del Syngas ........................................................................................................................... 22

Usi dell’idrogeno e del monossido di carbonio ....................................................................................... 22

Produzione industriale di idrogeno ............................................................................................................. 23

Produzione di idrogeno da WGSR ........................................................................................................... 23

Produzione industriale di ammoniaca ......................................................................................................... 23

Catalizzatori per la sintesi di ammoniaca ................................................................................................ 24

Stadi del processo di sintesi di ammoniaca ............................................................................................. 24

Reattore a stadi catalitici ......................................................................................................................... 25

Processo di separazione .......................................................................................................................... 25

Usi dell’ammoniaca ................................................................................................................................. 26

Produzione industriale di acido nitrico ........................................................................................................ 27

Sintesi dell’acido nitrico per ossidazione dell’ammoniaca ...................................................................... 27

Impianto di produzione di acido nitrico .................................................................................................. 29

Ottenimento di HNO concentrato .......................................................................................................... 30

3

Usi dell’acido nitrico ................................................................................................................................ 31

Produzione industriale di acido solforico .................................................................................................... 32

Ottenimento dello zolfo .......................................................................................................................... 32

Sintesi dell’acido solforico ....................................................................................................................... 32

Usi dell’acido solforico ............................................................................................................................. 34

Produzione industriale di carbonato di sodio ............................................................................................. 34

Processo Solvay ....................................................................................................................................... 34

Usi del carbonato di sodio ....................................................................................................................... 36

Produzione industriale di bicarbonato di sodio ...................................................................................... 36

Processo Fischer-Tropsch ............................................................................................................................ 37

Distribuzione dei prodotti idrocarburici .................................................................................................. 37

Catalizzatori per processi FT .................................................................................................................... 38

Processi FT ad alta e bassa temperatura ................................................................................................. 38

Meccanismo di reazione .......................................................................................................................... 38

Bioraffineria ............................................................................................................................................. 39

Parte seconda – Industria del petrolio ............................................................................................................ 40

Introduzione al petrolio ............................................................................................................................... 40

Fonti energetiche e vettori energetici ..................................................................................................... 40

Composizione del petrolio ....................................................................................................................... 40

Diagramma di Francis .............................................................................................................................. 41

Classificazione del petrolio ...................................................................................................................... 41

Raffinazione del petrolio ......................................................................................................................... 44

Processo di distillazione topping ................................................................................................................. 46

Dissalazione ............................................................................................................................................. 46

Vaporizzazione flash ................................................................................................................................ 46

Frazionamento ......................................................................................................................................... 47

Processo di distillazione vacuum ................................................................................................................. 48

Scopi della distillazione vacuum .............................................................................................................. 48

Sezioni di una colonna vacuum ............................................................................................................... 49

Condizioni operative ................................................................................................................................ 49

Produzione di oli lubrificanti ....................................................................................................................... 50

Deasfaltazione ......................................................................................................................................... 53

Eliminazione degli aromatici .................................................................................................................... 56

Eliminazione delle paraffine .................................................................................................................... 59

Altri trattamenti ....................................................................................................................................... 61

Produzione di benzina ................................................................................................................................. 62

Numero di ottano .................................................................................................................................... 62

Numero di cetano .................................................................................................................................... 63

Processi di conversione per il miglioramento delle benzine ................................................................... 63

Processo di isomerizzazione ........................................................................................................................ 64

Schemi base di reazione .......................................................................................................................... 65

Isomerizzazione dei C5/C6 ....................................................................................................................... 66

Isomerizzazione del C4 ............................................................................................................................ 68

Processo di alchilazione ............................................................................................................................... 69

Chimica e termodinamica del processo .................................................................................................. 70

Catalizzatori ............................................................................................................................................. 71

Condizioni operative ................................................................................................................................ 72

Processi di alchilazione con H SO ........................................................................................................... 73

2 4

Processi di alchilazione con HF ................................................................................................................ 74

Problematiche di sicurezza e corrosione ................................................................................................. 74

Processo di polimerizzazione....................................................................................................................... 76

Meccanismo di reazione .......................................................................................................................... 76

Schema del processo industriale ............................................................................................................. 77

Processo di reforming catalitico .................................................................................................................. 77

Numero di ottano in funzione del tipo di idrocarburo ............................................................................ 78

Reforming termico ................................................................................................................................... 78

Schema del processo industriale ............................................................................................................. 79

Chimica del processo ............................................................................................................................... 79

Condizioni operative ................................................................................................................................ 82

Catalizzatori ............................................................................................................................................. 83

Tecnologie industriali .............................................................................................................................. 83

Processi di idrodesolforazione (HDS) .......................................................................................................... 84

Processi di cracking

...................................................................................................................................... 85

Processo di cracking termico ....................................................................................................................... 86

Reazioni coinvolte .................................................................................................................................... 86

Prodotti del processo .............................................................................................................................. 87

Condizioni operative ................................................................................................................................ 88

Schema del processo industriale ............................................................................................................. 88

Pregi del processo .................................................................................................................................... 89

Cracking termico in fase mista ................................................................................................................ 89

Processo di visbreaking ............................................................................................................................... 90

Prodotti del processo .............................................................................................................................. 90

Combinazione cracking termico-visbreaking ........................................................................................... 90

Caratteristiche del processo .................................................................................................................... 91

Coil visbreaker e soaker visbreaker ......................................................................................................... 91

Processo di coking ....................................................................................................................................... 92

Prodotti del processo .............................................................................................................................. 92

Struttura del coke di petrolio .................................................................................................................. 92

Tipologie di coke ...................................................................................................................................... 92

Condizioni operative ................................................................................................................................ 93

Chimica del processo ............................................................................................................................... 93

Tipologie di processi di coking ................................................................................................................. 94

Processo di cracking catalitico ..................................................................................................................... 96

Confronto fra cracking termico e catalitico ............................................................................................. 96

Evoluzione dei processi ........................................................................................................................... 96

Meccanismo di reazione .......................................................................................................................... 97

Considerazioni termodinamiche ........................................................................................................... 100

Catalizzatori ........................................................................................................................................... 100

Cracking catalitico a letto fluido (FCC) ................................................................................................... 102

Processi a valle del cracking catalitico ................................................................................................... 102

Parte Prima – Industria chimica di base

Principi teorici e pratici di distillazione e rettifica

Produzioni dell’industria chimica

Classificazione commerciale dei prodotti chimici:

▪ Commodities: sostanze chimiche prodotte in grandi volumi con basso prezzo, acquistate sulla base

del prezzo; es. azoto, cloro, ammoniaca, acido solforico, etilene

▪ Small volume commodities: sostanze chimiche prodotte in volumi più piccoli, acquistate sulla base

della purezza; es. ossido di cloropropilene (per resine epossidiche e resine a scambio ionico), gamma-

butirrolattone (per solventi polari aprotici e materie plastiche speciali), acido n-butirrico (per

bevande, aromi, fragranze), polvere di titanato di bario (per condensatori elettronici)

▪ Fine chemicals: sostanze chimiche prodotte in volumi più piccoli con prezzo più elevato, acquistate

sulla base dell