Lezione Progettazione di impianti chimici

NEXT OK.

Schiacciamo (dalla barra della home) e

Il simulatore ha eseguito prima il caso base e poi ha eseguito la sensitivity e ci riporta

nel control panel tutti i punti che ha valutato, ovvero i valori differenti delle variabili

indipendenti. model analysis tools->sensitivity->results:

Andando in ritroviamo la tabella che

avevamo richiesto di costruire. custom,

Possiamo anche diagrammarli, scegliendo sulla barra home nella sezione plot:

X axis: temp; y axis: vap/feed results

(compare quando clicchiamo su della voce

sensitivity model analysis tool).

in

Otteniamo questo tipo di grafico:

Da questo possiamo individuare l’intervallo di vaporizzazione che va dalla Teb alla

temperatura di prima rugiada. In questo caso è tra 378 e 398 K, ovviamente al di sotto

della prima T non abbiamo vaporizzazione dopo la seconda abbiamo vaporizzazione

completa.

Questa è una curva di flash, possiamo anche zoommare il grafico partendo da valori di

T più alta e terminare a T più bassa.

sensitivity->S1->input->vary->manipulated variable limits; start

Andiamo quindi in in

point end point increment

mettiamo 375 e in 400. Possiamo variare anche mettendo

1. custom,

Possiamo rifare la procedura con selezionando le variabili in x e y.

format axis

Nella scheda e nella sezione possiamo variare l’intervallo di valori nelle x.

Lo strumento dell’analisi di sensitività ci consente di evitare di fare tante simulazioni e

vedere l’effetto della variazione della variabile sulla nostra unità di riferimento o sulle

nostre unità.

Dal diagramma posso definire la T più opportuna per far vaporizzare la miscela ed

ottenere il grado di vaporizzazione più adeguato.

Sullo stesso grafico non posso vedere i risultati di variazioni successive, per far questo

conviene esportare i dati.

LEZIONE 2.11

LEZIONE 6.11

(R-plug multitubolare)

Possiamo fare il bilancio di energia sul fluido di servizio, in forma monodimensionale:

esso avrà un termine convettivo e un termine di scambio tra il fluido di servizio e

quello di processo.

In questo caso, diversamente dall’altra volta, abbiamo un fluido di servizio che

scambia calore: lo inseriamo come corrente materiale rispetto alle frecce vicino

all’unità operativa segnata in blu.

Nell’esempio a lezione, viene fornito il fluido di servizio e le sue caratteristiche; in fase

di progetto invece dobbiamo sceglierlo e abbiamo dati gradi di libertà: innanzitutto la

natura del fluido di servizio e le condizioni operative in ingresso (p, T), poi un altro

grado da saturare o la portata o la Tout.

Scriviamo un bilancio di energia: Q=mcp(t2-t1) sul fluido di servizio. Il bilancio è più

complesso di così.

Se volessi fare una stima, il grosso del calore che dovrei rimuovere è il calore generato

dalla reazione possiamo uguagliarlo a Fcao(-DHr)x:

Ovvero il calore del fluido di processo, x è il grado di avanzamento della reazione. Così

scritto, ho due gradi di libertà per il fluido di servizio: o Tin e Tout, o Tin e portata.

Se ho un fluido sottoraffreddato è necessario che Tin e Tout siano minori della Teb del

liquido.

Se invece ho un liquido bollente, devo scrivere Q in maniera diversa e il bilancio su

questo fluido sarà:

I gradi di libertà in questo caso è la temperatura alla quale faccio avvenire la

vaporizzazione (la temperatura del DH sarà funzione della pressione.

properties: components

Inseriamo in il fluido di servizio della traccia (nella voce di

boiling point nella finestra di find possiamo osservare che il punto di ebollizione sia

basso e che il fluido sia liquido per le temperature considerate).

simulation: S3

Ritorniamo in e inseriamo le specifiche del fluido di servizio (pressione,

temperatura, portata e frazione molare). Per i sali fusi tipicamente si usano miscele.

B1:Setup:Specification reactor type

Nel blocco avevamo impostato nella voce reactor

Next

with constant thermal fluid temperature: in questo caso premendo ci

accorgiamo non vada bene (avviso finestra component status).

in controcorrente in equicorrente

Impostiamo allora un nuovo tipo di reattore o

(scegliamo equicorrente).

Abbiamo le seguenti equazioni differenziali ordinarie: equazione di continuità che tiene

conto della variazione di pressione, bilanci di materia per n-1 specie e bilanci di

conservazione dell’energai per il fluido di processo e quello di servizio.

Abbiamo bisogno di condizioni iniziali per risolvere il sistema: nel caso equicorrente, le

condizioni a contorno sono tutte a z=0 per entrambi i fluidi.

Fa terminare la simulazione.

B1:Profiles, plot temperatures

Nel menu ad albero in con lo strumento (nella barra

home): scegliamo di diagrammare entrambi i fluidi per la lunghezza del letto.

Abbiamo un tipo di profilo dove la temperatura aumenta da sinistra verso destra. Il

profilo cresce per tutta la lunghezza del reattore per entrambi i fluidi.

Nelle lezioni precedenti abbiamo richiesto che il reattore sia isotermo: per far questo

abbiamo introdotto un fluido di servizio. Stiamo però osservando un profilo del fluido di

processo crescente, il che significa dire che il fluido di servizio fornito ha una portata

troppo bassa.

Questo non è l’unico profilo da considerare, dobbiamo considerare anche i profili dei

reagenti e prodotti, così da avere info sulla conversione.

B1:profiles:process stream molar composition

Nella voce di scegliamo di vedere

summary. plot composition

anziché Prendiamo (sempre in home, reactor mole

composition e spunto i componenti).

I profili sono delle rette e non delle curve con punto a derivata nulla: si tratta di una

reazione irreversibile, volendo possiamo arrivare a conversione 1.

Per fare questo possiamo aumentare il tempo di residenza: possiamo pensare di

incrementare la lunghezza dei tubi o aumentare il numero dei tubi (sto aumentando la

massa di catalizzatore o la velocità del fluido all’interno dei tubi).

Adesso vediamo il caso controcorrente. B1:setup:specifications

Cambiano le condizioni a contorno. Cambiamo in e nella voce

reactor type prendiamo reactor with counter current thermal fluid.

Nella finestra viene richiesto un basso la temperatura di uscita del fluido di servizio. A

questo punto ho una condizione nota a z=0 e un’altra a z=L.

Contrariamente a quanto fanno altri software che richiedono la temperatura di

ingresso di entrambi i fluidi, Aspen richiede la temperatura di ingresso del fluido di

processo e quella di uscita del fluido di servizio.

next run.

Abbiamo determinato tutto, premo poi e

Riplottiamo la temperatura in funzione della lunghezza del reattore. Abbiamo una

situazione diversa: abbiamo un aumento per il profilo del fluido di processo e poi una

diminuzione. Per la temperatura di uscita ipotizzata, in questo caso, la temperatura di

ingresso non è quella della traccia per il fluido di servizio: ovviamente per iterazione

cerchiamo di raggiungere la temperatura iniziale.

A noi interessa la parte finale del profilo che deve essere piatta.

In generale la T massima del fluido di servizio non deve superare la temperatura

massima permessa per il catalizzatore e dobbiamo avere che le perdite di carico non

superino il valore imposto.

results stream

In per il blocco B1 trovo le caratteristiche di temperatura, mentre in

results verifico le perdite di carico valutando la pressione iniziale e finale delle correnti.

Cosa possiamo aggiustare se la resa a prodotti non è sufficiente? Posso agire sul

tempo di residenza (numero e lunghezza dei tubi) avendo però conseguenze sulle

perdite di carico, posso modificare la temperatura: una temperatura molto bassa

potrebbe penalizzare le cinetiche e richiedere tempi di permanenza molto alti.

Si consiglia di ragionare su una grandezza per volta.

reset

(possiamo usare il per errori temporanei del software per riavviare la run dopo)

Questa unità è più complessa per il numero di gradi di libertà: possiamo pensare di

analisi di sensitività,

progettare andando ad usare preliminarmente l’ variando una

design specification.

variabile indipendente e valutando gli effetti oppure usiamo

Nel caso del reattore multitubolare non si consiglia di partire con il reattore

completo, inserendo fluido di servizio e condizioni operative ma si consiglia di valutare

le cinetiche. Se abbiamo ad esempio tante reazioni, si parte con un reattore

tubolare semplice, si analizzano le cinetiche in condizioni isoterme, valutando gli

effetti della temperatura sulla velocità di reazione.

Fatta una progettazione di massima, possiamo passare al reattore multitubolare.

Abbiamo diverse configurazioni possibili per realizzare un reattore a temperatura

controllata.

Abbiamo un reattore multitubolare catalitico e altre configurazioni tra cui il reattore a

stadi adiabatici con raffreddamento intermedio.

Il raffreddamento intermedio è realizzato o tramite un fluido di servizio o per

miscelazione diretta con parte dell’alimentazione alle condizioni di ingresso (reattore

quench).

Se volessimo schematizzare un reattore a stadi adiabatici con raffreddamento

intermedio:

Possiamo riportare un grafico di conversione contro temperatura. Il reattore qui

riportato è utile per le reazioni esotermiche reversibili, perché permette di riportarci al

caso isotermo e al caso degli ottimi di velocità (conversione più alta).

(costruzione a dente di sega sul grafico x-T)

Possiamo anche aumentare il numero di stadi per avvicinarci meglio all’ottimo;

avvicinandoci meglio alle massime velocità, possiamo utilizzare meno catalizzatore e

arrivare alla conversione desiderata.

Seppur ottimizzando il reattore, dovrò tenere conto delle altre unità operative. In

particolare, consideriamo l’effetto sui costi:

questi sono funzione del numero di stadi. Per quanto riguarda il costo del catalizzatore

la curva sarà decrescente. Diversamente, quella dello scambiatore sarà crescente.

I costi totali sono riportati in verde: dobbiamo cercare di lavorare in prossimità del

minimo, quindi lavorare con un numero ottimale di stadi (tipicamente compreso tra 3 e

5 stadi).

Quali sono i gradi di libertà che abbiamo a disposizione per il dimensionamento del

reattore?

Prendendo in considerazione 3 stadi, avrò fissato T0 e x0 e xfin.

Ho sicuramente dei vincoli (la temperatura deve essere in un range conciliabile con

l’attività del catalizzatore).

Posso calcolare il tempo di permanenza, la massa del catalizzatore e la temperatura

iesima (equazioni di dimensionamento degli stadi catalitici):

Per gli stadi di raffreddamento consideriamo le seguenti equazioni di

dimensionamento:

Complessivamente:

La funzione obiettivo deve essere scritta