Impianti dell'Industria di processo

Corso di laurea in ingegneria chimica

Università degli studi di Salerno

Appunti per il corso di Impianti dell’Industria di Processo. Modulo di Impianti dell’Industria Chimica. Prof. Libero Sesti Osséo. Dipartimento di Ingegneria Industriale. Rev del 30/05/2016 13.04.31

Introduzione

L'antico alchimista

Ricordate l'Alchimista? Sì, proprio quella figura impressa nel nostro immaginario intriso di mistero, a metà tra un mago medievale ed un chimico moderno, teso tra lo sforzo di una ricerca difficoltosa e le necessità pratiche, che lo rendevano talvolta tanto simile ad un millantatore. La sua missione era quella di trasformare il piombo in oro! Come sapete dagli esiti della Storia, non ci riuscì mai.

A prescindere dal suo percorso e dalla sua fama, l'Alchimista impersonava un'esigenza tutta umana: il desiderio del dominio della materia per ottenere ricchezza. A conferma del fatto che si ha a che fare con un'umana esigenza, già secoli prima si era favoleggiato di re Mida, che la leggenda dice trasformasse in oro qualunque cosa toccasse.

La mitologia e la storia sono fuse e, verrebbe da dire, confuse nelle figure mitologiche di re Mida e dell'Alchimista. Tuttavia, si può trovare in questi personaggi una radice comune: sia Re Mida con il semplice tocco delle sue mani, sia l'Alchimista con complesse e segrete formule potevano (o, meglio, si diceva che potessero) trasformare in maniera semplice e diretta la materia per ottenerne oro. Non è un caso che si volesse ottenere, tra tutti i metalli, proprio l'oro, che era ed è il simbolo della ricchezza e dunque del potere. Il sogno dell'Alchimista di ottenere oro dal piombo è dunque una metafora del desiderio di sicurezza e potere di ogni uomo.

Il moderno alchimista e l'impianto di processo

L'Alchimista avrebbe voluto dunque trasformare il piombo in oro. Un progetto ben difficile, che è diventato, nel tempo, una realtà, pur se in forme diverse rispetto a quelle che questi, a quei tempi, immaginava. Se gli Alchimisti non riuscirono a raggiungere il loro scopo è perché costoro pensarono di trasformare direttamente la materia in oro, senza alcun passaggio intermedio...

La soluzione è invece, oggi, sotto i nostri occhi. La storia della tecnologia ha dimostrato che la materia può essere trasformata e che siamo ben capaci di trasformarla. E generalmente lo facciamo per ottenere un prodotto vendibile...

Non era perseguibile - nell'antichità come oggi - l'obiettivo di trasformare direttamente il piombo in oro, ma certo è possibile trasformare le materie prime in prodotti finiti, semilavorati o energia di maggior valore rispetto alla materia prima. La materia si può dunque trasformare, e il valore aggiunto del prodotto è ricchezza (dunque, oro!).

È questa l'idea alla base della formazione professionale di un Ingegnere Chimico, che è un tecnico in grado di trasformare la materia tramite un impianto di processo per ottenere prodotti vendibili (e quindi generare ricchezza). Potrebbe dunque il lavoro d'un Ingegnere Chimico essere definito come un'alchimia? La risposta è un no, deciso. Per ottenere la trasformazione di materie prime in prodotti sono necessarie conoscenze tecniche complesse, che si concretizzano in “Impianti di Processo”.

È questa la sintesi della miscela di competenze, la “formula magica” costituita da conoscenze scientifiche, tecnologiche e organizzative, che rende possibile la doppia “magia” della trasformazione della materia e della creazione della ricchezza. L'organizzazione corretta delle conoscenze costituisce dunque un sapere (know how) specifico dell'Ingegnere Chimico.

L'impianto di processo

Come detto, la materia viene trasformata tramite un “Impianto di Processo”. Tuttavia l’impianto, ancor prima di essere fisicamente realizzato, è schematizzato sulla carta, in un progetto complesso. Le “formule” per il progetto vengono scritte in un linguaggio per addetti ai lavori, nei documenti di progetto. Il gestore dell’impianto, così come il progettista, trarrà vantaggi importanti dal saper “leggere le formule”, cioè la documentazione di progetto. La scrittura - ed ancor più la lettura – della documentazione è dunque un passo essenziale, per quanto abbastanza articolato.

Individuare un metodo di lavoro, il saper dimensionare le apparecchiature, il saper organizzare le attività costituisce una parte della formula magica del moderno alchimista. Tutto questo saper fare è riassunto dalla parola “progettazione”.

La progettazione di un impianto di processo viene effettuata in un tempo limitato ed in maniera coordinata da una pluralità di soggetti; l’impegno di ore/uomo e la varietà delle professionalità coinvolte nella progettazione di un impianto è talmente elevato da rendere necessario un lavoro di gruppo di lavoro (team di progetto) ampio e ben coordinato. Ogni componente del gruppo di lavoro deve portare a compimento il proprio lavoro nel ristretto periodo di tempo assegnatogli.

Per realizzare un progetto nei tempi è necessario dunque tener conto della necessità di distribuire informazioni al momento giusto a numerose e diverse figure professionali. Per far fronte a questa esigenza, si sono andati affermando metodi di lavoro e alcuni tipici documenti tecnici standardizzati, che sono gli strumenti attraverso i quali si veicolano le informazioni e grazie ai quali si limitano sia le ambiguità (che possono rallentare le attività), sia gli errori di progetto.

La raccolta di questi documenti costituisce il progetto propriamente detto. È dunque essenziale che un Ingegnere di Processo si muova con sicurezza tra la documentazione di progetto, che viene correntemente utilizzata a supporto dell’esercizio dell’impianto, sia per la normale gestione, sia per fronteggiare eventi imprevisti o ancora per la esatta individuazione degli elementi costituenti l’impianto e dei suoi materiali. Grazie a queste conoscenze l’Ingegnere può effettuare la migliore analisi del problema che in quel momento deve risolvere e quindi elaborare una corretta soluzione.

Per raggiungere questo obiettivo si è ritenuto essenziale in questo corso evidenziare la logica con cui si mettono insieme le informazioni e quindi ripercorrere con rapidità la messa a punto di un progetto e la documentazione da sviluppare. L’altra parte del lavoro si concretizza nella capacità di effettiva trasformazione della materia, attraverso quello che viene in gergo detto gestione (o esercizio) dell’impianto.

Sommario

In questo capitolo illustreremo come si possa rendere via più concreta l’idea di un Impianto di Processo, ragionando su schemi a blocchi e sulle Unit Operation. Alla fine del capitolo, sarà chiaro il concetto di impianto come insieme di apparecchiature pensate per una determinata trasformazione della materia.

Introduzione all'ingegneria chimica

L’ingegneria Chimica viene definita come “... l’applicazione dei principi delle scienze fisiche unitamente ai principi delle scienze economiche e delle relazioni umane, in campi che appartengono direttamente ai processi ed alle apparecchiature di processo attraverso i quali la materia vien trattata per ottenere un cambiamento di stato, di contenuto energetico, di composizione...”

La definizione qui riportata ha il crisma dell’ufficialità, ma si presenta di comprensione non immediata per chi non è addetto ai lavori. Se usiamo questa definizione per spiegare il lavoro dell’ingegnere chimico ai nostri genitori o ai nostri amici, allora sì che saremo visti apprendisti stregoni, oscuri come gli alchimisti!

Forse è meglio dire che il lavoro dell’ingegnere chimico cerca di rispondere ad una esigenza della società, producendo industrialmente prodotti utili al sostentamento e alla cura, nonché necessari per mantenere o accrescere il nostro grado di sviluppo. I prodotti, ottenuti tramite un impianto che trasforma le materie prime nei prodotti desiderati, hanno un prezzo (valore) superiore alle materie prime utilizzate (valore aggiunto).

Questa definizione è meno accurata e guarda solo ad alcuni aspetti dell’ingegneria chimica. Tuttavia è più adatta della precedente per introdurre al mondo dell’ingegneria chimica chi non lo conosce. Contiene inoltre alcuni concetti che si andranno a sviluppare nel prosieguo del corso.

Ci pare opportuno dare da subito un’idea globale del procedimento che porta alla realizzazione di un impianto, come una panoramica a “volo d’uccello” che fa intravedere le complesse problematiche della progettazione di un impianto di processo.

Il progetto: una complessa organizzazione per l'investitore

Siamo in un mondo che, limitatamente a merci e finanza, possiamo definire senza confini, globalizzato. Con la globalizzazione è cresciuta la complessità dei mercati e l’interdipendenza di sistemi produttivi, economici e perfino politici. Anche a causa di ciò, l’ipotesi di realizzazione di ogni nuovo progetto d’impianto di processo, cioè l’ipotesi di immettere in un mercato globale una certa quantità aggiuntiva di un qualsiasi prodotto, richieda un esame critico della fattibilità, della rilevanza economica, dell’impatto ambientale.

Cominciamo subito a rendere tutto complicato? No, non tutto, ma quasi tutto. In alcuni casi gli impianti si costruiscono per esigenze interne di un gruppo industriale, o per liberarsi dal giogo dell’acquisto di certe materie prime, autoproducendosele. In tali casi (rari) non è difficile identificare il prodotto necessario, la sua quantità, la sua destinazione, la sua valorizzazione. Come si diceva, purtroppo, questi casi non sono frequenti. Assai più frequente è viceversa il caso di voler realizzare un prodotto per un mercato esterno, i cui limiti non sono definiti a priori (possono essere regionali, nazionali, europei e persino mondiali) in un contesto di mercato fortemente interdipendente in chiave globale e con la necessità di effettuare previsioni che si spingono in avanti per almeno tre lustri.

In generale, tutto ciò è realizzato con l'aiuto di uno studio di fattibilità. È parte essenziale la progettazione preliminare, nella quale si effettuano le analisi del mercato per stimare le vendite potenziali, la dinamica prevista per la domanda, la disponibilità delle materie prime e la situazione competitiva conosciuta e conoscibile. La capacità produttiva di un dato impianto non è infatti una semplice decisione, ma è il risultato della domanda di prodotto nel mercato preso a riferimento (che può essere locale, regionale, nazionale, internazionale), della forma delle funzioni di costi e ricavi, del punto di pareggio di costi e ricavi (breakeven point) in relazione alla produzione.

Gli studi di fattibilità sono dunque assolutamente non tecnici e guardano esclusivamente a questi aspetti. Solo in una seconda fase saranno completati da una progettazione semplificata (basic design) che serve per stimare la capacità produttiva ed i capitali necessari per realizzare l’impianto (costi fissi) e i suoi costi operativi, soprattutto i suoi consumi (costi variabili). Con queste conoscenze, è possibile valutare i costi totali (la somma dei costi fissi e di quelli variabili) e l’evoluzione dei costi e dei ricavi nel tempo ed analizzare alcune ipotesi sulla profittabilità dell’investimento. Superata questa fase, si può decidere su tale base economica di rinunciare all’investimento perché non sufficientemente profittevole o, viceversa, di investire e realizzare l’impianto.

Il progetto: un'opera da assegnare a terzi

Se viene presa la decisione di realizzare l’impianto, l’investitore non realizzerà quasi mai l’impianto in proprio, ma lo commissionerà a terzi, sulla base di una gara tecnico-economica. Ci sono buone ragioni perché ciò avvenga, come si vedrà nel seguito. Per poter far in modo che il progettista realizzi l’impianto così come è desiderato, è necessario che l’investitore (che diviene in questa fase il committente dell’impianto) elabori una definizione esatta e completa delle caratteristiche dell’impianto, da utilizzarsi come base della gara (le richieste d’offerta a società di progettazione, di solito società di ingegneria) per la progettazione e realizzazione dell’impianto stesso.

Sulla base delle informazioni ricevute, le società d’ingegneria possono (non sono cioè obbligate a farlo) fornire una loro offerta (technical proposal), che è un progetto semplificato e la valutazione dei costi per la realizzazione del progetto. Tale offerta è un servizio offerto gratuitamente. Questa metodologia procedurale viene utilizzata nella grande generalità dei casi e sicuramente non ci sono eccezioni per i grandi progetti. La fase di preparazione preliminare del progetto (offerta o proposal) si può concludere con la conferma della decisione dell’investitore di realizzare l’investimento, questa volta supportato da costi certi. L’assegnazione di un contratto alla società d’ingegneria scelta tra quelle che hanno fornito il loro “proposal” è il suggello che chiude la fase di studio di fattibilità ed apre la fase di progetto vero e proprio. L’attività di progetto è quella su cui si concentrerà gran parte del contenuto di questo corso.

La progettazione e la società di ingegneria

La realizzazione di un progetto d’impianto di processo si compone delle fasi di ingegneria, d'acquisizione delle apparecchiature e del materiale dell’impianto, di costruzione e di avviamento. La società di ingegneria che progetta l‘impianto realizza pertanto le suddette attività, realizzandole in proprio o subappaltandole, pur rimanendo sempre garante della qualità del progetto. In caso di subappalto, la società di ingegneria sceglie, coordina e controlla il subfornitore. Solo in casi rari la società d’ingegneria è attrezzata per la realizzazione delle apparecchiature; la norma è che tali apparecchiature vengano commissionate e realizzate da ditte specializzate per la costruzione. A costruzione ed avviamento dell’impianto avvenuto, si effettua una prova di funzionalità dell’impianto (test run) che deve rispondere alle specifiche richieste del committente in termini di prodotti e consumi. Se il test run ha successo, l’impianto è consegnato al committente, che inizierà ad esercirlo secondo la sua pianificazione. La realizzazione di un impianto è dunque un processo complesso.

L'idea base della progettazione a partire dalle Unit Operation

È tuttavia ben chiaro che all’inizio di un lavoro il progetto non esiste, ma esiste l’esigenza di un determinato prodotto. Il progettista avvia il lavoro con in mente l’obiettivo da raggiungere (il prodotto o, più in generale, i bisogni) e - sviluppando lentamente e progressivamente le sue idee - arriva a valutare dapprima un certo numero di progetti plausibili. Successivamente lo stesso progettista restringe il campo della sua analisi ai progetti possibili, definendo la migliore strada per raggiungere gli obiettivi (o soddisfare i bisogni). Nel seguito descriveremo più dettagliatamente il percorso.

Se ad un allievo Ingegnere Chimico si chiedesse in quale ambito lavorativo si pensa collocato nel futuro, le risposte più probabili sarebbero: la conduzione, la progettazione o la realizzazione in parte o in toto di impianti industriali. “Impianto” è dunque una parola chiave. Esso è visto come l’insieme fisico di apparecchiature in cui realizzare un “processo”, cioè l’insieme delle trasformazioni che portano la materia prima ad essere un prodotto.

“Impianto di Processo” finisce per riassumere dunque i due concetti di insieme di apparecchiature organizzate per ottenere una certa trasformazione della materia e la produzione industriale. È naturale che l’Impianto di Processo sia oggetto di particolare attenzione da parte dell’Ingegnere, sia in relazione alla fase di progetto (cioè alle attività inerenti la realizzazione dell’impianto), sia a quella di esercizio (cioè all’attività di trasformazione della materia prima in prodotto).

La fase della progettazione si realizza di norma attraverso un metodo di lavoro ben definito. Tale lavoro, articolato con l’ausilio di numerose professionalità e pertanto posto in essere da più persone, è veicolato attraverso alcuni specifici documenti (la documentazione tecnica) che costituiscono il corpo portante delle informazioni necessarie per la realizzazione di un impianto di processo.

La fase di gestione (o esercizio) richiede altrettanta attenzione. Durante l’esercizio, l’impianto trasforma le materie prime in prodotti (generando il valore aggiunto). In particolare, un approccio razionale alla fase di esercizio parte dalla conoscenza del progetto, che ne determina le caratteristiche operative.