Impiantistica di Processo

Fasi di progettazione di un impianto

CONOSCENZE DI BASE

Termodinamica: equilibri chimici, fi-

sici, cinetica chimica e fisica (cinetica

fisica… moto dei fluidi…. Fenomeni di

trasporto)

Misura del trasporto di materia, ener-

gia, quantità di moto, tutto atto al di- 1. Stoccaggio materie prime

mensionamento dell’impianto. 2. Processo di preparazione delle ma-

Aspetto da non trascurare: intera- terie prime (reagente liquido, es. filtra-

zione fluido trattato e materiale che zione; minerale solido, es. macinazione,

costituisce il reattore (fenomeni di setacciatura)

corrosione e resistenza dei mate- 3. Reazione

riali) 4. Separazione dei prodotti principali

dai sottoprodotti e dai reagenti non

reagiti (riciclati).

L’impianto chimico Nella separazione ottengo anche rifiuti

solidi o emissioni liquide o gassose

5. Purificazione del prodotto principale

6. Stoccaggio del prodotto principale

Vincoli nella progettazione degli impianti

o Termodinamici: non posso avere

Un impianto è assimilabile ad una un processo che vada contro le

scatola grigia, dalla quale entrano ed leggi della termodinamica

escono materia ed energia. o Tecnologici: devo poter avere a

Si consideri una reazione semplice disposizione materiali che pos-

A+B→C+D. sono resistere alle condizioni

operative dell’impianto

Nell’impianto sono introdotti i rea- o Economici: devo aver un ritorno

genti A e B, insieme ai cosiddetti ‘che- economico vantaggioso

micals’ (additivi), e si ricavano pro- o Normativi: legislazioni in termine

dotti e sottoprodotti (prodotti della di ambiente e sicurezza

reazione che non sono quelli di inte-

resse nella produzione. Hanno co- Da tutto ciò nasce la

munque un mercato). necessità di fare al-

Si introduce/produce anche energia. cune scelte proget-

tuali. Si nota però

Altre emissioni in forma solida (rifiuti), che, tra tutte le possi-

liquida o gassosa possono essere bili scelte, ve ne sono

presenti. Parte di fondamentale inte- alcune più plausibili,

resse nell’impianto è ovviamente il ri- che sono più vantag-

torno economico che ho dalla produ- giose in termini di

zione. tempistiche, condi-

zioni di processo, etc.

Ma…. Da quali componenti è costi-

tuito l’impianto vero e proprio?

Nella progettazione di un impianto devo

sostanzialmente seguire un diagramma Obiettivo di produzione

o

di flusso Studio di fattibilità e valutazione

o mercato

Raccolta dati di processo

o Progettazione di massima

o

Fissare l’obiet- Valutazione economica prelimi-

o

tivo nare

Progettazione di processo

o Controllo vincoli e scelta defini-

o

Raccolta dati di tiva delle soluzioni di processo

tipo fisico, chi- Progettazione esecutiva

o

mico Valutazione economica di detta-

o glio

Costruzione apparecchiature e

o

Possibili scelte acquisto componenti

progettuali e Montaggio impianto

o

selezione/ otti- Avviamento e messa in marcia

o

mizzazione Produzione

o

delle scelte Quando l’impianto termina il suo fun-

zionamento:

Dismissione dell’impianto

o

Fasi della progettazione Esistono diversi diagrammi di flusso

che schematizzano gli stadi di svi-

La progettazione di un impianto chi- luppo dell’impianto chimico, com-

mico è in genere sviluppata su tre livelli: prese la scelta di motori e organi di

Progettazione di massima: È il lavoro

o funzionamento, sistemi di drenaggio

preliminare in cui vengono valutate an- e fognature, etc.

che diverse scelte di processo.

Si esegue un dimensionamento di mas- Ottimizzazione

sima e una valutazione preliminare dei

vincoli e dei costi Calcoli per l’ottimizzazione del pro-

Progettazione di processo: Sviluppo cesso, che vanno dalla scelta del dia-

o

dei bilanci di materia e energia, ottimiz- metro di un tubo alle temperature.

zazione delle condizioni operative, Esempio con diametro della tuba-

schemi quantificati e dimensionamento zione:

delle principali apparecchiature (in que-

sto corso: apparecchiature di trasporto Costo della tubazione (varia in

o

di fluidi e apparecchiature di scambio base al materiale)

termico) Costo degli organi di pompaggio

o

Progettazione esecutiva: Fase meno

o

concettuale, ma più complessa e labo- Se scelgo un tubo di un materiale di-

riosa. Si affrontano gli aspetti di detta- verso, con un diverso prezzo, il dia-

glio ed esecutivi metro ottimale può cambiare, consi-

derando che il pompaggio rimane so-

La progettazione di un impianto chi- stanzialmente invariato.

mico è una procedura estremamente

complessa che si articola in diverse fasi:

Scale up

Quando porto il processo da una

scala di laboratorio ad una scala

reale, osservo una variazione di al-

cuni parametri dalla fase di progetta-

zione.

(esposto come fenomeno altamente

complesso; solo come aspetto da

considerare) Costi

I dati per i costi delle principali

utenze per la produzione sono rac-

colti in alcune scale come quella che

segue fluidi

proprietà dei fluidi aeriformi

Un fluido è definito come un sistema Un gas è un aeriforme caratterizzato

che non possiede forma e consi- da una temperatura critica inferiore

stenza. alla temperatura ambiente; gli aeri-

formi per cui ciò non avviene si tro-

Si adotta la classificazione riportata vano nello stato di vapore.

nello schema: Un vapore è una sostanza che a

pressione e temperatura ambiente è

allo stato liquido, ma che alle condi-

zioni a cui si opera nel processo pos-

sono trovarsi allo stato di aeriforme.

In pratica, un gas può anche essere

definito come un aeriforme non con-

densabile a temperatura ambiente.

Gli atomi o le molecole del gas sono

liberi di muoversi assumendo cia-

liquidi scuno una certa velocità. Per questo

un gas non ha un volume definito ma

Un liquido è un fluido il cui volume è tende ad occupare tutto lo spazio a

costante a temperatura e pressione sua disposizione, e assume la forma

costante e la cui forma è solitamente del contenitore che lo contiene, riem-

quella del contenitore che il liquido piendolo completamente. Un altro

stesso riempie. vincolo che può limitare il volume di

un gas è un campo gravitazionale,

La comprimibilità dei liquidi è in ge- come nel caso dell'atmosfera terre-

nere molto bassa e trascurabile se stre.

confrontata a quella dei gas, quindi i

liquidi sono considerati incomprimi-

bili. Le proprietà del fluido che interes-

In un campo gravitazionale costante, sano il fenomeno del moto dei fluidi

come approssimativamente accade sono:

sulla superficie terrestre, la pressione

in un liquido fermo è pari a: Densità: La densità può essere

o

considerata pressoché costante per i

= +

0 liquidi, mentre per i gas può subire

variazioni molto grandi al variare i T e

dove ρ è la densità del liquido (che si p. Ciò significa che il coefficiente di

suppone uniforme) e z è la profondità comprimibilità ha valori molto piccoli

del punto considerato, p0 la pres- per i liquidi e grandi per i gas.

sione alla superficie libera e g l'acce-

lerazione di gravità. Coefficiente di comprimibilità

o

(variazione di volume specifico a se-

Curiosità: Normalmente i liquidi vengono indi- guito di variazioni di p a T costante)

cati come fluidi incomprimibili, invece hanno

un coefficiente di comprimibilità che varia in

funzione della natura del liquido stesso. Al-

cuni di questi liquidi come l'acqua sono stati 1

testati a pressioni fino a 10.000 bar dando va- =− ( )

riazioni molto piccole, invece altri come gli

idrocarburi hanno sensibili variazioni con

pressioni di 100 bar.

Viscosità: resistenza opposta sforzo applicato e/o dal tempo, in

o

da un fluido alle deformazioni di questo caso si parlerà di viscosità

scorrimento, è il coefficiente di pro- apparente.

porzionalità fra lo sforzo di taglio e il

gradiente di velocità tra due strati di

fluido in moto relativo. Spesso è rica- I fluidi puramente viscosi, il cui com-

vata attraverso l’uso di nomogrammi. portamento reologico non cambia

Che correlano la viscosità di una con il tempo, ma solo con l’intensità

certa sostanza alla temperatura as- della forza applicata, si suddividono

soluta. in: Pseudoplastici: La viscosità di-

o

minuisce al crescere della forza ap-

plicata. Esempi sono i succhi di

frutta e vegetali concentrati, la

crema di latte, le gomme alimentari

e i concentrati proteici di caseina e

di sieroproteine;

Uso del grafico: segnare sulla griglia il Dilatanti: La viscosità aumenta

o

punto individuato dalle coordinate, corri- al crescere della forza applicata.

spondenti a ciascuna sostanza, prese Esempi sono le sospensioni di

dalla tabella. Unire con una linea retta la amido e gomma arabica;

temperatura e il punto. Prolungando la

retta si ottiene il valore della viscosità del

liquido in esame alla temperatura voluta.

Si presti attenzione alla scala del grafico. Plastici: Hanno bisogno di uno

o

Il valore letto deve essere moltiplicato per sforzo iniziale di taglio allo scorri-

10-3 per avere la viscosità espressa in mento perché il sistema ha una

unità del SI. struttura tridimensionale resistente

per cui, per poterli mettere in moto,

richiedono l'applicazione di una

Fluidi non newtoniani forza tale da far collassare la strut-

tura.

Fluidi il cui comportamento non è de- Esempi sono la cioccolata fusa, il to-

finibile dalla legge di newton. Per i mato ketchup, la mostarda ed i con-

fluidi non-newtoniani la viscosità non centrati proteici di soia

è costante ma è influenzata dallo

Perdite di carico nei circuiti idraulici

Perdite di carico distribuite radiale. Questo tipo di flusso è noto

come turbolento (turbolent flow) ed è

Sono le perdite di pressione (carico) caratterizzato da rapide oscillazioni e

dovute a situazioni di attrito interno vortici random lungo tutta la tuba-

tra fluido e parete del tubo zione.

Equazione di bernoulli

Per un fluido reale in moto in un con-

dotto nel bilancio e energetico oc-

corre tener conto delle resistenze do-

vute alla viscosità e alla turbolenza

che determineranno delle dissipa-

zioni di energia comunemente chia-

mate perdite di carico (∑y). Moto laminare: moto per filetti fluidi

paralleli alle pareti del condotto, co-

lorante immesso mantiene traiettoria

senza mescolarsi; non si verifica

Esperienza di Reynolds scambio di massa tra filetti adiacenti.

Quando un fluido scorre in un con- Moto di transizione: moto per filetti

dotto o in un canale, la tipologia di fluidi che divengono instabili all’au-

moto varia con la velocità, le pro- mentare della portata. Esistono velo-

prietà del fluido e la geometria della cità trasversali e scambio di massa

superficie. Il problema è stato esami- tra filetti adiacenti.

nato da Reynolds attraverso un espe- Moto turbolento: dopo breve tratto di

rimento: In un tubo di vetro venne condotta, il getto di colorante si di-

fatta scorrere dell’acqua e attraverso sintegra e si disperde nella massa

una valvola venne controllato il fluida colorandola uniformemente.

flusso. La natura del flusso è stata os- Velocità trasversali incisive.

servata introducendo un sottile fila-

mento di acqua colorata attraverso

un orifizio. A basse velocità il fila- A basse velocità (moto laminare): il

mento colorato rimase lungo l’asse flusso è costituito da filetti che si

del tubo indicando che il flusso era muovono ordinati e non interferi-

costituito da correnti parallele che scono l’un l’altro. Tale regime di moto

non interferivano l’un l’altra. Un tale è caratterizzato dall’assenza di vortici

tipo di flusso si dice laminare (stream- sebbene si verifichi una certa diffu-

line flow o laminar flow) ed è caratte- sione in direzione radiale. Ad alte ve-

rizzato dall’assenza vortici nel bulk locità (moto turbolento) appaiono

del fluido. All’aumentare della portata fluttuazioni nel moto dei filetti che di-

appaiono delle oscillazioni del fila- ventano vortici al crescere della velo-

mento colorato che inizia un moto cità.

vorticoso causando una dispersione

dell’acqua colorata nella direzione l’andamento ritorna rettilineo con

pendenza pari a 1.8-2.

È stato comunque osservato che an-

che quando il moto è in regime turbo-

lento c’è sempre una regione vicina

alla parete in cui il moto è laminare

(strato limite). Si può dire quindi che il rapporto tra

Perdite di carico velocità e perdita di carico per il

moto laminare è una funzione lineare,

Il risultato di alcuni lavori sperimen- mentre per il moto turbolento la di-

tali (Reynolds, Stanton, Pannell, Niku- pendenza si può considerare qua-

radse, Moody) è mostrato attraverso i dratica.

grafici: Nel moto laminare la resistenza è do-

vuta all’attrito tra i vari strati di fluido

in moto, mentre in regime turbolento

è dovuta al contatto con la parete, in-

fatti la superficie del condotto non è

perfettamente liscia ma presenta

delle asperità rappresentati con un

coefficiente di rugosità.

Numero di Reynolds

Il grafico riporta le perdite di carico Reynolds correla diversi tipi di fluido

per unità di lunghezza di tubo o gra- con diverse proprietà tramite un nu-

diente idraulico (p/l) contro la velo- mero adimensionale, in quanto nota

cità media del fluido nella tubazione. che facendo lo stesso esperimento

A basse velocità la curva mostra una con diversi fluidi, l’andamento è so-

p/l stanzialmente lo stesso, ma le pen-

proporzionalità diretta di con u. denze delle rette nel grafico logarit-

Ad alte u le perdite di carico aumen- mico sono diverse.

tano più rapidamente. Il numero adimensionale di Reynolds

Tuttavia, questo grafico sperimentale è definito come:

è stato rielaborato in un grafico dop-

pio logaritmico, per evidenziare la

zona di transizione. =

Il grafico logaritmico mostra 3 zone: a Per un condotto circolare il moto è la-

basse u (PB) l’andamento è rettilineo minare o turbolento a seconda che

con pendenza unitaria; nella regione Re sia minore di 2100 o maggiore di

successiva (BC) c’è instabilità, scarsa 4000. Il passaggio al moto turbolento

definizione dei punti; ad alte u (CQ) Fattori di attrito

avviene per destabilizzazione del

moto laminare di partenza. Sono tre gli studiosi che arrivano

contemporaneamente a situazioni si-

mili:

Attrito

F. di attrito di Fanning: Φ =

Quando un fluido scorre in un con- 2

dotto di lunghezza infinitesima dl e di

F. di attrito di Moody: f′ = 8

diametro D si origina una forza di at- 2

trito sulla parete pari al prodotto tra

F. di attrito di Darcy : f = 2

lo sforzo applicato e l’area della tu- 2

bazione. La forza di attrito provo-

cherà delle perdite di pressione dp in

quanto la forza di attrito si oppone al Moody espresse graficamente il fat-

moto. Le perdite di carico sono legate tore di attrito come una funzione di

alle proprietà fisiche e cinematiche /D,

due numeri adimensionali Re e

del fluido, alle proprietà geometriche 

dove rappresenta la rugosità super-

della tubazione e a un fattore Φ, ficiale del tubo. La relazione che lega

detto di attrito o di Fanning. fra loro i parametri viene ottenuta per

analisi dimensionale.

2

⋅ ⋅ ⅆ ⋅ = − ⋅ ⋅ 4

= = (, )

2

forza di attrito

⋅ ⋅ ⅆ ⋅ :

2

: forza di pressione

− ⋅ ⋅ 4 Diagramma di Moody

N.B: è negativa!

Sono state effettuate misure di per-

dite di pressione dovute all’attrito per

numerosi fluidi che scorrono in tuba-

zioni di diverso diametro e rugosità. I

risultati sono stati espressi usando il

concetto di fattore di attrito definito

dal gruppo adimensionale Attenzione: tutti e tre hanno svilup-

pato grafici che mettono in relazione

il numero di Reynolds col fattore di

Φ = 2

attrito. È necessario fare attenzione

ad accoppiare fattore di attrito col

tale parametro viene riportato in gra- diagramma corretto.

fico come funzione del numero di Rey-

nolds. N.B.: il diagramma di Moody è un dop-

pio logaritmico

Fu trovato che per una data superfi-

cie del tubo è sufficiente una sola

curva per esprimere i risultati per

ogni fluido, ogni diametro di tubo e In accordo con gli esperimenti di Rey-

ogni velocità. nolds, su ogni curva si distinguono 3

parti:

A bassi valori di Re, Φ è indipen- 4. Corrisponde ad alti valori di Re, il

o dente dalla rugosità superficiale e fattore f’ è indipendente da Re ed è

varia molto rapidamente al cre- /D.

funzione solo di

scere di Re; 1 1

= −2 ⋅ ( ∙ )

Ad alti valori di Re, Φ varia con la

o 3.71

′

√

rugosità;

A valori di Re molto alti, Φ diventa

o indipendente da Re e sarà funzione Rugosità Superficiale dei Tubi

solo della rugosità. Consideriamo una tubazione com-

merciale: La superficie interna pre-