Processi Chimici Industriali - Materiale completo per l'esame

Processi chimici industriali

Struttura dell'industria chimica

Le materie prime si convertono in prodotti e possiamo avere materie prime organiche e inorganiche. Le materie base da cui noi andiamo a produrre circa l'80% delle sostanze chimiche sono una 20ina. Esistono quindi i base chemicals e gli intermedi che costituiscono i bulk chemicals.

Esistono dei base chemicals molto importanti come:

• Grezzo
• Petrolio
• Gas naturale
• Minerali
• Aria
• Salgemma NaCl che viene trattato per elettrolisi per ottenere Cl e Soda, carbonato di Na

Il composto chimico più prodotto è l’acido solforico H₂SO₄, usato nell'industria mineraria. Successivamente abbiamo azoto N, ossigeno O, ed etilene, che è il primo composto organico la cui produzione è aumentata considerevolmente. Il propilene spesso sostituisce l’etilene in alcuni utilizzi come nelle buste per la pasta. La produzione del cloro è un po’ in crisi in quanto è stata limitata la produzione dei materiali come il PVC dove era utilizzato.

Introduzione

Processo chimico: insieme di attività che trasformano elementi in input (materie prime eventualmente pretrattate) in elementi di output (prodotti che rispettano eventuali specifiche). L’obiettivo principale di un processo chimico è l’aumento del valore aggiunto, passando ad esempio da petrolio a combustibile il valore raddoppia.

Mano a mano che il processo va avanti, possiamo estrarre degli intermedi che hanno un valore maggiore rispetto alle materie prime di base oppure possiamo continuare fino ad ottenere il prodotto finale del processo avente un valore aggiunto a volte molto più alto degli intermedi. Lo sviluppo e la ricerca dell’ottimizzazione dei processi chimici è fondamentale sia per motivi ambientali, e dunque per ottimizzare e minimizzare l’impatto ambientale, sia per motivi di mercato. Anche una piccola ottimizzazione di un processo, dovuta all’utilizzo di un catalizzatore o di un reattore più efficiente, considerando gli alti volumi trattati, porta ad un vantaggio economico molto grande.

Conversione materie prime in prodotti base

• Gas di sintesi → Steam Reforming → NH₃, Metanolo
• Etano, Virgin Nafta → Steam Cracking → Etilene, Propilene, Butadiene
• Reforming catalitico → Olio aromatico - Benzene, toluene, xilene

Processi chimici

Formazione di intermedi → Acido acetico, Formaldeide

Prodotti finali: i petrochemicals sono i prodotti che vengono maggiormente venduti. Le materie prime sono strettamente collegate all'energia, le principali fonti infatti sono petrolio, carbone, gas naturale in percentuali che variano annualmente. Nell’industria chimica il petrolio, la cui vita stimata è di 50 anni, è poco utilizzato tal quale, viene più che altro utilizzato come combustibile. Circa l'8% di petrolio estratto funge da materia prima, il resto come combustibile.

Come fonte di energia viene utilizzato anche il vapore attraverso turbine o come fluido riscaldante. Viene utilizzato a tre diversi livelli di pressione:

• High 40 bar
• Media 10 bar
• Low 3 bar

Abbiamo a queste pressioni delle temperature operative e di saturazione differenti; in genere viene utilizzato sempre un vapore surriscaldato, in modo da esser sicuro di evitare condensazioni dovute al raffreddamento nella rete in cui scorre. Altra fonte importante di energia è l'elettricità che viene prodotta con cicli a vapore con un rendimento tra il 34 e il 43%.

Base chemicals

I più importanti sono gli alcheni C1-C4, aromatici, BTX, NH₃ ammoniaca, CH₃OH metanolo e possono essere prodotti direttamente o indirettamente.

Aromatici

Gli aromatici vengono prodotti da reforming catalitico se parto da catene leggere o dal cracking di oli aromatici. Le polveri sottili emesse dalle macchine PM 2.5 sono prodotti aromatici; l'unione di più catene aromatiche da origine alla formazione del nerofumo.

Gas di sintesi

Serve per la produzione di H₂.

Processi chimici: livelli di analisi

Un processo chimico può essere analizzato a diversi livelli:

• Micro levels: analisi delle reazioni chimiche, degli aspetti cinetici e termodinamici
• Meso levels: aspetti ingegneristici, costruzione delle apparecchiature, scambi termici e condizioni operative
• Macro levels: scelta delle apparecchiature necessarie per il processo e vero e proprio disegno della struttura

Un processo chimico in generale è un insieme di processi e di attività che portano alla trasformazione di elementi in ingresso in elementi in uscita con un valore aggiunto molto più alto.

Descrizione di un processo chimico

Materia Prima → Pretrattamento fisico → Reazione chimica → Trattamento fisico → Prodotti + sottoprodotti

Vediamo che, oltre ai prodotti, ho i sottoprodotti che possono avere destinazioni differenti:

• Se la qualità è uguale a quella dell’alimentazione faccio un ricircolo e non ho perdite
• Se ha un valore più basso e non posso ricircolarli li butto e li devo smaltire
• Li brucio e quindi degrado il valore di parte dell’alimentazione

Sistemi di processo

Un'importante suddivisione tra i processi chimici è tra:

• Processi Batch o discontinui: Hanno una durata ben definita, sono indicati per produzioni moderate ma sono molto flessibili. Le operazioni avvengono in sequenza (caricato, processato, scaricato). Ha molta applicazione nel settore alimentare. In questo tipo di processi più apparecchiature possono essere sovrapposte se compatibili per ottimizzare l'efficienza. Ho diversi tipi di Batch a seconda che le reazioni siano esotermiche o endotermiche. I Batch si possono dividere in multiprodotto e multiuso.
• Processi continui: Lavorano in maniera continua, in condizioni stazionarie con meno interruzioni, presentano T e composizioni omogenee, migliore qualità di prodotto. Nonostante trattino maggiori portate sono più sicuri perché il tempo di residenza nell'impianto è ridotto. Sono più complessi dei reattori discontinui.
• Processi SemiBatch: Alcune sostanze sono trattate in maniera discontinua, altre no; ad esempio viene caricata tutta la carica di reagenti meno uno, e quello viene caricato goccia a goccia. Vengono utilizzati per questioni di sicurezza, così se dovesse esserci un incidente, blocco la reazione.

Esempi di processi chimici

• Macchina del caffè - semi-batch
• Raffineria - complessivamente continuo
• Tostapane - discontinuo
• Rene - continuo

Definizioni

• Conversione: moli di reagente convertite in prodotto (se sono basse uso un ricircolo)
• Selettività: moli di prodotto per moli di reagente convertito
• Resa: moli di prodotto che ottengo per il numero di moli di reagente che si converte (prodotto tra conversione e selettività)
• Tempo di residenza: V reattore/portata

Nei reattori catalitici si usa anche un altro parametro, la velocità spaziale: 1/T resid, perché a me interessa il tempo di contatto tra catalizzatore e reagenti. Numero di Turnover: Numero di moli di prodotto per numero di moli di catalizzatore. Frequenza di Turnover: numero di moli di reagente che possiamo convertire nell’unità di tempo; ho un’indicazione sull’attività del catalizzatore, più è alto più il catalizzatore è efficiente. Consumo dei catalizzatore: massa di catalizzatore consumato x massa di prodotto ottenuto. Space time Yield: Massa di prodotto ottenuto per unità di volume e di tempo del reattore. Rapporto di riciclo: Portata riciclata/portata alimentazione.

Tipologie di processi chimici

I processi possono essere termici e quindi attivati per via radicalica o catalitici che vengono attivati mediante la presenza di intermedi carbocationici, i prodotti non sono sempre gli stessi. Ad esempio, nel caso del cracking catalitico posso seguire entrambe le vie, nel caso del cracking catalitico per via termica io ho un riscaldamento della carica che si rompe ad opera di radicali e ottengo frazioni medie, nel primo caso ottengo una grande quantità di gas. Nel caso del cracking catalitico con catalizzatore ho la formazione di carbocationi che tendono a trasporre verso la forma più stabile che è la forma terziaria e quindi ottengo tanto butene, nel radicale ottengo molti C2.

Descrizione dei processi

Possiamo descrivere un processo in diversi modi con diverse rappresentazioni:

• Input-Output diagram
• Schema a blocchi
• Process flow diagram (PFD) o diagramma di flusso che mostra le basi del processo senza le specifiche, è ancora più semplice
• Piping instrument diagram in cui abbiamo tutte le specifiche, tutte le reti di connessione e le apparecchiature

Componenti dei processi chimici

Splitter: è una T che mettiamo nel tubo per effettuare una deviazione del flusso senza alterare la composizione della corrente. Separatore: cambio la composizione della corrente in ingresso. Il separatore più semplice è il sedimentatore.

Analisi di processo

Partiamo da uno schema complesso e ne deduciamo il funzionamento e la logica attraverso la redazione di una descrizione.

Progettazione

Al contrario dell’analisi di processo, partiamo da una descrizione per cercare di progettare e costruire lo schema di processo. Le variabili che descrivono un processo possono essere:

• Estensive - dipendono dalle dimensioni del sistema
• Intensive - non dipendono dalle dimensioni del sistema

Strumentazione

La strumentazione è utilizzata per misurare le variabili di processo e comandare le valvole di controllo. Negli schemi di processo tale strumentazione è indicata con dei cerchi all’interno dei quali troviamo delle lettere che indicano il tipo di controllo, cerchi connessi con una linea piena al punto di misura e con una linea tratteggiata allo strumento che controlla.

Schemi di processo

Negli schemi di processo sono indicate unità di processo le quali contengono al loro interno le operazioni unitarie ovvero trasformazioni semplici che seguono un principio di base, sia di tipo fisico, sia di tipo chimico, che possono interessare diversi fenomeni di trasporto. Parliamo di operazioni fisiche come la distillazione, estrazione con solvente o operazioni chimiche che svolgono un lavoro termico o catalitico.

Operazioni unitarie

Le operazioni unitarie sono legate a considerazioni di:

• Fluidodinamica (fluido nei tubi e nei reattori): il fluido che scorre nelle tubazioni subisce delle perdite di carico, per movimentarli ho bisogno di pompe (Liquidi) o compressori (Gas). Porto un fluido da h1 a h2 con h1<h2.
• Scambio termico (calore che fornisco senza cambiamento di fase): possiamo utilizzare per aumentare la T degli scambiatori a fascio tubiero o a piastre (sono più compatti, meno problemi di incrostazioni, scambi tra più di due tubi, però sono di difficile pulitura).
• Evaporazione (calore che fornisco con cambiamento di fase).
• Umidificazione (trasferimento di materia da liquido a gas) che viene utilizzato nelle torri di raffreddamento che sono sistemi di smaltimento di calore molto efficienti per raffreddare l’acqua mediante lo scambio con l’aria.

L'acqua calda entra nella torre e viene distribuita dalla rete di tubazioni, gli ugelli la spruzzano sui pacchi di scambio, mentre scende nei pacchi di scambio viene raffreddata in controcorrente dall’aria fresca, l’acqua fredda viene raccolta in serbatoi per essere inviata all’impianto. L’aria che viene a contatto con l’acqua non è satura di vapore, pertanto attraverso l’intimo contatto con le goccioline di acqua, si arricchisce di vapore. Si ha uno scambio di materia che avviene con cessione di energia da parte dell’acqua che quindi si raffredda. La temperatura minima è quella di bulbo umido.

Absorbimento e adsorbimento

Differenza: 1 volume e interessa tutta la massa e L-G 2 superficie e S-G. Nell’adsorbimento dopo un po’ la superficie si satura e deve essere sostituita, è un processo batch quindi come possiamo utilizzarlo nei grandi impianti dove è preferibile avere un continuo? Utilizzo apparecchiature alternate in modo da renderlo artificialmente continuo.

Estrazione

(L-L si basa sulla differenza di affinità tra le fasi) molto utilizzata nell’industria mineraria.

Distillazione

Con l’evaporazione io concentro un prodotto, mentre con la distillazione io li recupero entrambi. Se non c’è il riflusso è detto flash. Riflusso: una parte della condensa è reimmessa in colonna. Possiamo operare sia in batch sia in continuo. Operiamo in discontinuo nel caso dei distillati alcolici, perché i volumi non sono tanto elevati da garantire il continuo. Il problema è che all’inizio distillo i prodotti più leggeri quali il metanolo (in testa) e i prodotti di coda che hanno cattivo sapore. È previsto un ribollitore di testa e un condensatore di fondo.

Essiccamento

(rimozione acqua o altri liquidi tramite maniera meccanica o termica), ad esempio mettendo il materiale in un forno. Come possiamo fare l’essiccamento di un gas o di un liquido? Per un gas ad esempio attraverso una condensazione (raffreddo l’H₂O si condensa e il gas prosegue), è un processo però molto costoso. Attraverso l’adsorbimento su un supporto come il gel si silice o attraverso l’acido solforico H₂SO₄ che ha molta affinità con l’H₂O.

Agitazione/Miscelamento

Rende omogenee composizione e proprietà fisiche, si riducono i problemi di trasferimento.

Fluidizzazione

È un’operazione unitaria attraverso la quale un solido granulare assume le caratteristiche tipiche di un fluido in seguito all’investimento da parte di una corrente ad opportuna velocità del letto granulare che diventa così un letto fluidizzato. Quando un flusso di gas o liquido passa attraverso il letto solido, va a riempire lo spazio interparticellare.

Per velocità del flusso basse non si ha movimento del letto solido, in quanto la "forza di drag" che il fluido esercita su ciascuna particella è minore della forza peso di ciascuna particella. A velocità del flusso gassoso o liquido più elevate si raggiunge una condizione in cui la forza aerodinamica di drag è in grado di contrastare le forze gravitazionali, e per una velocità poco superiore il solido granulare inizia ad espandersi, e la superficie superiore del letto assume un profilo mobile, analogo alla superficie del pelo libero di un liquido. In queste condizioni si parla di letto fluidizzato, al quale corrispondono valori tipici del grado di vuoto attorno a 0,4÷0,45 (nel caso di particelle sferiche).

La condizione di letto fluidizzato continua a realizzarsi aumentando ulteriormente la velocità, fino a quando la velocità del fluido è così elevata da trascinare con sé le particelle solide, e si ha trasporto pneumatico. Prima di giungere alla condizione di trasporto pneumatico il sistema fluido-solido attraversa una serie di diversi regimi di fluidizzazione, che possono variare a seconda del sistema considerato, passando per i quali si ha un progressivo aumento del grado di vuoto del sistema.

Filtrazione

Rimozione di un solido da una corrente fluida mediante il passaggio attraverso un filtro su cui si deposita il solido, il problema può essere l'otturazione del filtro, allora aumento P (non conviene sempre) oppure cambio filtro.

• Filtro continuo (rotativo): tamburo su cui si attacca il solido e viene tolto dal liquido
• Filtro discontinuo (presse): cilindro con pale che ruotano, lavora ad alte pressioni

L'aria la posso fluidizzare facendo passare la corrente su un tessuto che intercetta le particelle solide.

Cristallizzazione

Formazione di particelle solide in fase omogenea, esempio separazione degli xileni (per sovrasaturazione e sottoraffreddamento o per semina). Un altro esempio di cristallizzazione è quella dello zucchero. Per dare inizio alla cristallizzazione posso utilizzare dei cristalli che fungono da nuclei di cristallizzazione o abbasso la temperatura facendo andare la soluzione in condizione di sovra saturazione e dando inizio alla nucleazione.

Centrifugazione

Separo particelle solide dal fluido incrementando la velocità di sedimentazione con la forza centrifuga maggiore di quella gravitazionale. Esempio cicloni.

Movimentazione dei materiali

Classificazioni dimensionali con setacci sovrapposti e, comminuzione, ovvero la riduzione delle dimensioni delle particelle solide.

Combustione

La combustione è una reazione chimica di ossidazione. Avviene ad alta T, porta allo sviluppo di calore e alla presenza di fiamme. Ciò che viene ossidato nella reazione di combustione prende il nome di combustibile e possiamo avere combustibili:

• Solidi (carbone)
• Liquidi (benzine)
• Gas (metano, GPL)

I componenti fondamentali dei combustibili sono C e H, gli interni si ritrovano così come erano prima e dopo la reazione. Per poter avvenire una combustione è necessaria la presenza di un ossidante (comburente) e di un combustibile, presi in un determinato rapporto che non è detto sia quello stechiometrico, inoltre è necessario un innesco che in genere è dato da una fonte di alta T. L’innesco serve a dar vita ai primi radicali che poi sviluppano e danno vita al processo che di per sé è di natura radicalica.

Se manca uno di questi elementi, la combustione non può avvenire, o se viene a mancare si interrompe. Non tutti gli inneschi sono uguali, esiste un’energia minima al di sotto della quale la combustione non parte; una volta innescata però si avrà un meccanismo di propagazione.