Progettazione impianto chimico - produzione BDO

Impianto di produzione di BDO da bio-acido succinico

Francesco Porro

Indice

• Introduzione
• Analisi dei prodotti
• Caratteristiche BDO
• Principali applicazioni
• Proprietà fisiche e chimico-fisiche
• Caratteristiche GBL
• Principali applicazioni
• Proprietà fisiche e chimico-fisiche
• Caratteristiche THF
• Principali applicazioni
• Proprietà fisiche e chimico-fisiche
• Mercato e venditori
• Software utilizzati e diagramma Gantt
• Processi di produzione classici
• Descrizione del processo
• Reattore
• Descrizione generale
• Cinetica di reazione
• Distribuzione gas liquido
• Sezioni dell’impianto
• Introduzione
• Procedure generali di dimensionamento
• Scambiatori di calore
• Colonne di distillazione
• Condensatori
• Reboilers
• Pompe
• Valvole e orifizi
• Sezione 100
• Dimensionamenti apparecchiature
• Sketches e datasheets
• Sezione 200
• Dimensionamenti apparecchiature
• Sketches e datasheets
• Sezione 300
• Dimensionamenti apparecchiature
• Sketches e datasheets
• Sezione 400
• Dimensionamenti apparecchiature
• Sketches e datasheets
• Sicurezza e direttiva Seveso
• BAT e valutazioni di impatto ambientale
• Analisi economica
• Costi fissi di investimento
• ISBL
• Costi di ingegneria e contingenza
• Working capital
• Costi totali di investimento
• Costi variabili di produzione
• Materie prime e prodotti
• Utilities
• Costi fissi di produzione
• CCOP
• Ammortamento
• Economic evaluation of Project
• Bibliografia

Introduzione

In questa analisi si effettuerà lo sviluppo dell’impianto per la produzione di 1,4-Butandiolo (BDO), Gamma-Butirrolattone (GBL) e Tetraidrofurano (THF) a partire da bio-acido succinico attraverso delle reazioni di idrogenazione. L'industria chimica è in continua evoluzione verso uno sviluppo sostenibile, basato su:

• Utilizzo di tecnologie innovative
• Riduzione dell'impatto ambientale
• Utilizzo di materie prime ricavate da fonti rinnovabili
• Ottimizzazione del bilancio massico globale tale da minimizzare i reflui
• Minimizzazione dei costi energetici

L'impianto in esame è stato pensato e progettato per soddisfare tutte le nuove esigenze eco-sostenibili appena elencate. Inoltre sarebbe situato a Bolzano per una questione logistica: l'idrogeno necessario sarebbe fornito dal nuovo centro dell'Istituto per le Tecnologie Innovative IIT di Bolzano, l'unico impianto in Europa per la produzione di H₂ da fonti rinnovabili. L'acido succinico, invece, è prodotto da Reverdia nell'impianto situato ad Alessandria, il più grande al mondo per la produzione di acido da risorse rinnovabili. Il trasporto di idrogeno potrebbe avvenire mediante tubazioni, mentre per l'acido (in cristalli) si potrebbe utilizzare un trasporto ferroviario o stradale.

Come verrà descritto più ampiamente in seguito, è stato scelto come prodotto il BDO poiché la domanda è fortemente in crescita: il mercato in questione vale 3,5 miliardi di euro all’anno (1,5 milioni di tonnellate). Si stima che nel 2020 si raggiungeranno 2,7 milioni di tonnellate con un valore di oltre 6,5 miliardi di euro. Inoltre, la produzione di tale composto avviene principalmente in Asia e America, per cui è plausibile costruire un impianto in Europa che soddisfi tale fabbisogno.

La presente relazione è strutturata nel seguente modo:

• Descrizione dei prodotti (campi di applicazione, caratteristiche chimico-fisiche, mercato)
• Descrizione dei vari processi di produzione
• Descrizione delle reazioni (processo di idrogenazione con descrizione del modello cinetico)
• Descrizione dell’impianto
• Funzionamento e dimensionamento apparecchiature
• Analisi economica
• Diagramma di Gantt
• Legislazione Seveso III
• Impatto ambientale e valutazione AIA
• Schede di sicurezza delle sostanze, sketch delle apparecchiature, PFD e P&ID

Analisi dei prodotti

Caratteristiche BDO

L'1,4-Butandiolo (BDO) è un alcool bivalente derivato dal butano con formula molecolare C₄H₁₀O₂. Se ingerito, viene rapidamente assorbito e metabolizzato per formare il Gamma-Idrossibutirrato (GHB), un neuromodulatore che esercita potenti effetti depressivi sul sistema nervoso centrale. È un solvente industriale e intermedio utilizzato nella produzione di varie materie plastiche e polimeri ottenuti principalmente da fonti fossili. Negli ultimi anni il BDO è diventato un importante intermedio chimico rinnovabile per la creazione di bioplastiche, grazie allo sviluppo di processi di produzione da fonti rinnovabili.

Principali applicazioni

L’1,4 butandiolo (BDO) è un composto organico che viene principalmente utilizzato nella produzione di materie plastiche, fibre e solventi. È un intermedio chimico versatile grazie ai suoi gruppi terminali idrossilici e possiede un'eccellente durata, resistenza e stabilità termica. Ha un ampio campo di applicazioni in diversi settori, tra cui calzature, elettronica, automotive e packaging. È un componente chiave per la produzione di poliesteri con eccellente resistenza adesiva e coesiva; viene utilizzato come plastificante, solvente veicolante negli inchiostri da stampa e detergente, che rappresentano il 4% del consumo di BDO.

Viene utilizzato per la produzione di resine di polibutilentereftalato (PBT) con alte prestazioni e peso molecolare elevato, che prendono il 20% del consumo di BDO e vengono infine consumate nell'industria automobilistica ed elettronica. Negli elastomeri uretanici (5% del consumo di BDO) permette la formazione di domini cristallini e viene utilizzato come prolungatore di catena.

Inoltre, il butandiolo da fonte rinnovabile è utilizzato per la produzione della quarta generazione delle bioplastiche Mater Bi che si contraddistingue per un contributo ancora più elevato di materie prime rinnovabili e per una riduzione delle emissioni di gas serra. È stato infatti calcolato che la sostituzione di 1,4 BDO da fonte fossile con il bio BDO nel grado di Mater Bi destinato alla produzione di film fa aumentare il contenuto rinnovabile dal 36% al 61% con una riduzione del 10-15% dell’impronta di carbonio. Il BDO è anche un'importante materia prima per produrre tetraidrofurano (THF), un liquido incolore estremamente infiammabile.

Proprietà fisiche e chimico-fisiche

Il BDO è un liquido incolore, quasi inodore, igroscopico, facilmente solubile in acqua, alcoli, chetoni, glicole eteri e glicol etere acetati, meno solubile in dietil etere ed esteri, e non miscibile con idrocarburi alifatici e aromatici e idrocarburi clorurati. Il BDO è facilmente ciclizzato in mezzo acido per dare Tetraidrofurano (THF). Dalla deidrogenazione in presenza di catalizzatori rame-zinco-alluminio si ottiene il Gamma-butirrolattone (GBL).

Il BDO reagisce con acidi monocarbossilici per dare diesteri; l'esterificazione con acidi dicarbossilici e loro derivati porta a esteri polimerici termoplastici parzialmente cristallini e lineari. A circa 200 °C, il BDO reagisce con ammoniaca o ammina su catalizzatore di nichel o cobalto e in presenza di idrogeno per dare pirrolidina o suoi derivati. Il fosgene reagisce con il BDO a -5 °C per dare il bis-cloroformiato di butandiolo. L'acrilonitrile si aggiunge a BDO a 20-100 °C e in presenza di quantità catalitiche di alcali per dare l’1,4-bis (2-cianoetossi) butano. Come altri alcoli, il BDO può essere vinilato, dando l'etere divinilico.

Caratteristiche GBL

Il Gamma-Butirrolattone (GBL) è un estere ciclico con formula molecolare C₄H₆O₂. È un comune reagente chimico, utilizzato come aromatizzante, solvente per la pulizia, solvente per supercolle e solvente in alcuni condensatori elettrolitici in alluminio umido. Si trova anche in svernicianti, solventi per smalto, smacchiatori e detergenti per circuiti stampati.

Negli esseri umani agisce come precursore dell'acido gamma-idrossibutirrico (GHB) che inibisce il rilascio di dopamina e il flusso impulsivo nei neuroni dopaminergici. Il GBL è un componente naturale presente in alcuni vini e prodotti simili, può essere trovato in piccole tracce anche negli aromi del formaggio.

Principali applicazioni

Il GBL viene utilizzato come intermedio nella produzione di pirrolidoni, che sono sostanze chimiche industriali ampiamente utilizzate. Circa il 65% di GBL viene utilizzato per la produzione di N-metil-2-pirrolidone (NMP), che a sua volta viene utilizzato come solvente nell'estrazione di olio lubrificante, applicazioni elettroniche, rivestimenti di film magnetici e resine ingegneristiche.

A causa delle sue grandi proprietà di solvibilità, viene utilizzata nella pulizia dei circuiti stampati nei settori dell'elettronica e dell'alta tecnologia e nella sverniciatura. Altre applicazioni includono la produzione di erbicidi e la produzione di prodotti farmaceutici. Il gamma-butirrolattone può essere usato per rimuovere vernici, grasso, olii, colle, smalti, inchiostro, ruggine, resine, chewing gum, graffiti, per pulire ruote in lega leggera, freni, testine delle stampanti, per la spogliatura del legno come solvente per polimeri.

Proprietà fisiche e chimico-fisiche

Il GBL è un liquido incolore, leggermente igroscopico, con un odore lievemente pungente, è miscibile in tutte le proporzioni con acqua, alcoli, esteri, chetoni e idrocarburi aromatici. Ha una miscibilità limitata con idrocarburi alifatici lineari e ciclici. È un solvente eccellente per numerosi polimeri ed un solvente selettivo per idrocarburi inferiori.

In soluzione acquosa a 0°C l’equilibrio tra il lattone e l'acido idrossibutirrico libero è spostato al 100% dal lato del lattone mentre, in presenza di un equivalente molare di alcali, l'equilibrio è spostato al 100% dal lato dell'acido idrossibutirrico; pertanto, il GBL può essere determinato mediante titolazione con una base. A pH 7 il composto è estremamente stabile. Il GBL reagisce con basi, alogenuri di idrogeno e alcoli (in presenza di acido), subendo l’apertura dell'anello e dando derivati dell'acido gamma-idrossibutirrico.

Reagisce con ammoniaca, ammine, composti carbonilici e alogeni nella posizione alfa senza apertura dell'anello. La reazione con i fenoli produce acidi fenossibutirrici, mentre la sostituzione dell'atomo di ossigeno presente nell’anello con azoto, produce derivati del pirrolidone, una reazione spesso utilizzata nell'industria.

Caratteristiche THF

Il tetraidrofurano è un etere ciclico. A temperatura ambiente è un liquido incolore dallo sgradevole odore caratteristico, abbastanza volatile, facilmente infiammabile e miscibile con l'acqua in qualsiasi proporzione. Col tempo, tende a formare perossidi che possono decomporsi anche violentemente, per questo viene inibito con butilidrossitoluene o conservato in bottiglie a tenuta d'aria su dell'idrossido di sodio.

Principali applicazioni

Il THF è impiegato come solvente per resina in PVC e cemento per tubi CPVC, inchiostri per materie plastiche, nastri magnetici, rivestimenti in PU ed intermedio nella produzione di politetrametilene etere glicole (PTMEG). Questo viene poi ulteriormente elaborato per produrre una fibra di abbigliamento molto popolare – lo spandex, che viene utilizzato in applicazioni mediche, automobilistiche e sportive.

Proprietà fisiche e chimico-fisiche

A temperatura ambiente è un liquido incolore dallo sgradevole odore caratteristico, abbastanza volatile, facilmente infiammabile e miscibile con l'acqua in qualsiasi proporzione. Ottenuto per idrogenazione catalitica del furano, trova principalmente impiego come solvente aprotico di moderata polarità. Col tempo, tende a formare perossidi che possono decomporsi anche violentemente, per questo viene inibito con butilidrossitoluene o conservato in bottiglie a tenuta d'aria su dell'idrossido di sodio. Viene spesso utilizzato come solvente nella preparazione di reattivi di Grignard perché, in quanto etere, complessa il magnesio per la buona riuscita della reazione.

Mercato e venditori

La redditività e l'attrattiva di BDO per i produttori risiedono nel suo potenziale a valle. La dimensione del mercato globale di 1,4 butandiolo (BDO) è stata valutata attorno ai 6,19 miliardi di dollari nel 2015 e si prevede crescerà ad un CAGR (tasso annuo di crescita) stimato del 7,7% dal 2018 al 2025. Tra i principali produttori di BDO figurano BioAmber Inc., BASF SE, ExxonMobil Chemicals, Ashland (precedentemente ISP), Mitsubishi Chemical Corporation, LyondellBasell Industries, Davy, DuPont e The Dow Chemical Company. Altri produttori significativi del settore sono Myriant Corporation, Dairen Chemical Corporation, Sipchem e Genomatica.

Il mercato è concentrato nelle mani di questi produttori chiave, costringendo i nuovi ad adottare nuove tecnologie per competere con le multinazionali esistenti nel settore. Gli analisti hanno assistito a un cambiamento globale nel mercato impostato verso lo sviluppo di tecnologie innovative e sostenibili che utilizzano risorse biologiche e rinnovabili per la produzione del BDO, a causa dell'aumento dei problemi ambientali e dell'esaurimento delle risorse non rinnovabili come il petrolio greggio e il gas naturale. Tale cambiamento fornisce soluzioni pulite durante la produzione e offre anche una sana competitività di costo ai produttori che operano in questo mercato.

I pionieri nelle tecnologie a base biologica per la produzione di BDO sono BioAmber, Davy, DuPont, Genomatica e Myriant. La crescente domanda di produzione di spandex per tessuti a partire da THF ha ampiamente influenzato la produzione di BDO negli ultimi anni e si prevede che rimarrà l'applicazione dominante anche nel prossimo futuro. La Cina è uno dei maggiori consumatori di THF a causa della forte domanda di spandex a base di PTMEG nella sua industria tessile.

Il poliuretano (PU) è emerso come un'altra applicazione in rapida crescita, con il crescente consumo di componenti leggeri e durevoli per i settori automobilistico, edile ed elettronico. L'ampia ricerca e sviluppo nel settore delle materie plastiche a livello mondiale a causa di mutabili esigenze ha portato allo sviluppo di nuovi prodotti in PU che superano le plastiche convenzionali. La Cina è il più grande paese produttore di 1,4-butandiolo del mondo, con una capacità produttiva pari a circa il 55% della capacità mondiale raggiunta alla fine del 2015, e aumentata negli anni successivi. Tuttavia, gli aumenti di capacità della Cina hanno causato una sovraccapacità e prezzi di mercato di 1,4-butandiolo inferiori negli ultimi anni.

L'Asia del Pacifico è emersa come il più grande consumatore di BDO negli ultimi anni, con una quota di oltre il 63% nel 2015. La regione ospita diverse industrie in rapida espansione e un ampio bacino di consumatori con livelli di reddito crescenti, che ha contribuito a modellare le dinamiche del settore. Le elevate capacità produttive nella regione offrono inoltre flessibilità ai produttori per aumentare la produzione in base alle tendenze della domanda. I fattori restrittivi sono identificati come la volatilità dei prezzi delle materie prime e l'alto costo di produzione. I principali produttori multinazionali nei paesi sviluppati stanno anche tentando di utilizzare manodopera e risorse a basso costo nelle economie emergenti come India, Vietnam, Tailandia e Indonesia. Si prevede quindi che la regione crescerà al massimo CAGR dell'8,5% dal 2016 al 2025.

Il consumo globale di 1,4-butandiolo è concentrato in Cina, in Asia, negli Stati Uniti e in Europa occidentale, che rappresentano rispettivamente il 41%, il 22%, il 16% e il 12% del consumo mondiale di 1,4-butandiolo nel 2015. Il consumo mondiale dovrebbe crescere ad un tasso medio di circa il 3,5% all'anno durante il periodo di previsione. Si prevede che il Centro e Sud America resterà un mercato in rapida crescita. L'espansione del settore delle costruzioni, lo sviluppo infrastrutturale e la costruzione di nuove reti di comunicazione sta guidando il consumo di poliuretano, che favorisce la crescita del settore. Le regioni sviluppate come il Nord America e l'Europa cresceranno a tassi più bassi, a causa della saturazione dell’industria per gli usi finali e della revisione al ribasso dei tassi di crescita del PIL nelle principali economie come gli Stati Uniti e il Canada.

Software utilizzati e diagramma Gantt

Per la progettazione sono stati utilizzati i seguenti software:

• Unisim Design Honeywell: con questo software sono stati effettuati i bilanci di materia e di energia;
• Excel Microsoft Office: sono stati usati per il dimensionamento delle principali apparecchiature, come la progettazione di scambiatori di calore, condensatori, reboilers, colonne, separatori;
• Python (Spyder software): utilizzato per le analisi più complesse come per esempio il calcolo differenziale del reattore;
• AutoCAD: utilizzato per disegnare PFD e P&ID dell’impianto;
• Smartsheet: per la costruzione di diagrammi di flusso e di Gantt, come riportato in seguito:

Processi di produzione classici

L'1,4 BDO può essere prodotto attraverso numerosi metodi, tra cui il processo tradizionale di Reppe, il processo di Davy, il processo a base di butadiene e il processo (Daicel) a base di ossido di propilene.

Processo Reppe

Il primo processo industriale per la produzione di BDO fu sviluppato da Walter Reppe nel 1930. Il processo di produzione è diviso in due parti: la reazione di...