Progettazione di impianti chimici - Scambiatori, Condensatori ed Evaporatori

PROGETTAZIONE di impianti

La progettazione di un impianto di processo è un'attività complessa che include il contributo di diverse specialità tecniche e la coordinazione superiore di un responsabile di progetto (TPM: technical project manager) che possa garantire lo svolgimento delle diverse attività in coerenza coi:

• gli obbiettivi voluti
• i budget a disposizione
• i tempi previsti

FASI DI PROGETTO

• STUDIO DI FATTIBILITA'

  : valutazione di una teorica possibilità di:
  • investimento
  • fattibilità economica
  • fattibilità tecnica

• CONCEPTUAL DESIGN

  : si occupa di realizzare uno schema a blocchi (progetto concettuale) di un processo con quantificati i flussi: di materia e energia. Ogni operazione di processo è un blackbox, non c'è alcun come realizzo l'operazione, uso ciò che ho...

• BASIC DESIGN

  : si occupa di definire i dettagli sull'impianto, l'obiettivo è quello di quantificare in modo dettagliato lo schema a blocchi seguendo obbligo onde sconvolgere le serie o parallelo, utilities tipo di torre o ciclo frigo... Dimensionamento preliminare dell'apparecchiatura onde essere certi che l'apparecchiatura scelta FUNZIONI e che sia SICURA e compatibile con l'ambiente circostante; devono inoltre essere studiate le procedure di start-up e shut-down, e le procedure di bonifica e manutenzione.

• DETAILED DESIGN

  : ha l'obiettivo di redigere il progetto finale di impianto (progetto costruttivo)

• COSTRUZIONE

  : costituita da 2 fasi - parte logistica, parte costruttiva

• START-UP

  : test finali e avvio dell'impianto.

• le fasi sono sempre tutte preseguiti
• le fasi in generale sono gestite da una singola azienda
• COMMITTENTE: azienda interessata ad avere l'impianto o la modificia; il committente gestisce il progetto, affida il concettual design ad un'azienda di competenza; la progettazione d'impianto (detailed design) viene gestita da un'azienda di ing. meccanica.

Costi di progetto

Le ore uomo, e di conseguenza i costi, non sono uguali per le diverse fasi, in particolare aumentano di fase in fase. Finché si è speso poco, si può cambiare tutto (gradi di libertà alti), via via che si consolidano i calcoli e le scelte cambiare vuol dire rifare qualcosa → i gradi di libertà diminuiscono nel tempo perché i costi aumentano.

Ci sono tre fasi principali in cui lavorano gli ing. chimici:

CONCEPTUAL DESIGN

• per impianti complessi o azienda che vuole realizzare una nuova linea produttiva
• Ci si concentra su:
  • caratteristiche delle materie prime
  • sequenza operazioni fondamentali
  • dati chimico-fisici relativi agli intermedi di processo
  • cinetica di reazione e aspetti termici
  • aspetti di sicurezza
  • apparecchiature particolari
  • schema a blocchi preliminare parzialmente quantificato
• Ci si concentra su COME svolgere il PROCESSO, su COSA FARE, non sul quale apparecchiatura usare
• per impianti semplici o modifiche di impianti già esistenti

BASIC DESIGN

• Obiettivo: passare dal processo all'IMPIANTO, ovvero definire i dettagli che ci permettano di fare il progetto costruttivo
• identificazione unità di batteria → confini teorici di progetto (“fino a dove devo lavorare?”)
• identificazione dettagli tecnici → dipendono dal luogo dove costruisco. Es. che utilities uso? Se sono nel deserto, mi conviene un air cooler → dove scarico i rifiuti? Se ho un impianto di smaltimento lo faccio io, altrimenti dico ad un'azienda che se ne occupi

Gestione del progetto:

• generalmente esternalizzata
• l'esternalizzazione è presso Società specializzate (FEED) o presso vendors
• per progetti semplici l'attività viene mantenuta interna e si affida ai vendors il dimensionamento delle apparecchiature principali

Documenti essenziali per la comprensione dell'impianto:

• PFD (Process Flow Diagram) = schema di processo
• P&ID's (Piping and Instrumental Diagrams) = schemi di marcia

Acqua di torre

Spurgo

Sistema semplice a una colonna a riempimento, con alcune caratteristiche:

• È montato un ventilatore sulla testa
• È aperta verso l’esterno, quindi entra aria A a Tamb

L’acqua di torre fluisce in controcorrente rispetto all’aria.

L’acqua viene prelevata dalla vasca a 30°C, viene pompata e mandata allo scambiatore/condensatore, poi viene rimessa nella torre a 10°C.

La portata Y mandata nella torre non torna tutta nella vasca; c’è una parte che evapora (E) e esce dall’alto.

• W = G + E + T
• trattato
• portata che torna in vasca
• portata che evapora

Si ha l'evaporazione perché l'acqua è a contatto diretto con l'aria e si ha il trasferimento di materia: l'aria è satura di vapore d'acqua e quindi non c'è equilibrio chimico e c'è una forza motrice per il trasporto di materia.

F_{p motrice} = X_H2O,in - X_eq,out

Per evaporare l’acqua prende il calore dalla quota parte di acqua che rimane liquida (q) e quindi quando arriva in vasca è più fredda di 10°C (t a cui entra in colonna).

Q* = E λ = G_f ċp (t_out - t_in)

COSTI:

• costo impianto: devo progettare lo scambiatore e la torre (vasca, ventilatore, riempimento...)
• costo funzionamento: ha il ventilatore che movimenta l’aria; la pompa; make up; spurgo; introduzione biocida/tratt. spurgo.

Make-up: devo reintegrare l'H2O.

Spurgo: nell'H2O sono presenti sali disciolti, questi si concentrano in A (perché non evaporano) quindi man mano che il processo avanza la concentrazione di sale aumenta ⇒ periodicamente devo spurgare; si individua una conc. limite a cui effettuare lo spurgo.

C_lim: conc. limite

C_in M = S ċ C_lim ⇒ S = M; C_in

portata make up

C_lim

Scambio termico in assenza di cambiamento di fase

• Rigenerativi: lo scambio termico avviene attraverso un corpo solido ad elevata inerzia termica, senza contatto continuo tra i 2 fluidi.
• A superficie: lo scambio termico avviene attraverso una superficie di scambio fornita dall'apparecchiatura. I 2 fluidi non sono in contatto tra loro.
• A contatto diretto: lo scambio termico avviene direttamente tra i fluidi, in generale in fasi diverse. Allo scambio termico si associa lo scambio di materia e può avvenire un'imperfetta separazione tra i fluidi all'uscita dello scambiatore.

Scambiatori a doppio tubo (double pipe)

Un tubo interno e un tubo esterno saldati uno all'altro, che scambiano in controcorrente.

Vantaggi:

• Controcorrente perfetto → ottimizzazione forza motrice.
• Il fatto che non vi siano cambi di sezione porta all'assenza di zone morte, quindi all'assenza di zone a bassa velocità del fluido → non si hanno fenomeni di: corrosione, deposito, sporcamento.

Svantaggi:

• Al di sopra di una certa potenzialità è molto costoso e complesso dal punto di vista dell'assemblaggio perché bisogna realizzare scambiatori in serie o addirittura gruppi di serie-parallelo.
• Presenza molti punti di saldatura che possono essere punti di eventuali perdite.

→ Generalmente usato per aree di scambio minori di 5m²

→ Usato per aree di scambio maggiori solo se devo raffreddare fluidi ad altissime pressioni (>100bar)

Motivi dello schema di impianto:

• Ingombro
• Lunghezze tot. limite → L > 6m (si potrebbero assemblare i tubi ma è costoso e generalmente non conveniente)

Criteri di scelta:

• Quale fluido metto lato tubo interno e quale lato tubo anulare? Fluidi critici (separativi vano nel tubo interno, perché questo, a differenza del tubo anulare, può essere ispezionato e pulito.