Slide dall'Università degli Studi di Padova su Chimica Industriale 1: Sviluppo dei Processi Chimici. Il Pdf esplora lo sviluppo dei processi chimici industriali, classificando le tipologie di produzione e le operazioni di processo, con un focus sulla Chimica per l'Università.
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DiSC Department of Chemical Sciences (DISC) Chimica Industriale 1 SVILUPPO dei PROCESSI CHIMICI A.A. 2023-2024 Dr. Francesca Lorandi francesca.lorandi@unipd.it 049 827 5135
Tipologie principali di processi:
Tipologie principali di processi:
derivanti da processi a monte o di origine naturale in forma di combustibili fossili o di utilities (vapore, energia elettrica) prodotte in altre unità del sito î Materie prime Trattamento Energia Operazioni unitarie • Purificazione • Conversione • Separazione Emissioni Economia circolare • Formulazione Utilities Rifiuti Prodotto primario Prodotti secondari Energia i materiali di rifiuto, secondo i principi di economia circolare, vanno ricircolati diventando materie prime per lo stesso processo o altri. Le emissioni di CO2 possono essere considerate fonte di C e convertite a combustibili o prodotti chimici da usare nel processo le caratteristiche chimico- fisiche (e.g., purezza) richieste dal suo utlizzo a valle determinano le operazioni di separazione e influiscono su quelle di conversione integrazioni energetiche con processi esterni o all'interno del processo (base) Selettività: rapporto tra prodotto primario e secondari
Operazioni unitarie: stadi di processo che possono essere studiati singolarmente e indipendentemente dagli altri.
Materie prime € Trattamento Energia Operazioni unitarie • Purificazione • Conversione Emissioni Economia circolare > Utilities Rifiuti Prodotto primario Prodotti secondari Consentire: 1. il tempo necessario di permanenza dei reagenti, 2. lo scambio di calore necessario, 3. l'intimo contatto delle fasi, 4. un'efficiente fluidodinamica (alta produttività e velocità nei trasferimenti di calore o fase) Pretrattamento dell'alimentazione Materie prime Reattore Riciclo • Separazione • Formulazione Sequenza delle operazioni di separazione Spurgo Prodotti Sottoprodotti
Operazioni unitarie: stadi di processo che possono essere studiati singolarmente e indipendentemente dagli altri.
Si basano su principi scientifici indipendenti dal materiale che viene processato. Si considerano:
> Si sviluppa un modello chimico-fisico del sistema su cui ci si basa per determinare le dimensioni delle apparecchiature, una volta fissati gli obiettivi di produzione, e quantificare i cambiamentei indotti dale materie prime usate
Lo sviluppo dei processi chimici necessita di un approccio multidisciplinare.
> l'ottimizzazione di processo deve avvenire sia per singolo stadio sia nell'integrazione progressiva dei vari elementi > evoluzione nel tempo (continuo sviluppo) altirmenti diventano obsoleti e non economici
Economia del processi Controllo dei processi Macro Progettazione dei processi Tecnologia dei processi Tecnologia dei reattori Meso Operazioni unitarie Scienza e tecnologia dei materiali Micro/Nano Chimica e tecnologia delle interfacce Cinetica e catalisi Fisica dei fenomeni di trasporto Indipendente Termodinamica Livello di integrazione Scala
Tempi: Da 10 a 15 anni Su 10 processi ritenuti interessanti in fase di studio (scala di laboratorio) solo 1 arriva di solito alla fase di applicazione industriale alti costi e ritardi
Fasi: • Studio di laboratorio • Studio su impianto minipilota Studio su impianto pilota Struttura ciclica, non più sequenziale, e utilizzo di metodologie in silico (simulazioni, IA)
Fase esplorativa Fattibilità tecno-economica preliminare Sviluppo delle singole fas Valutazione Definizione del processo Abbandono dello sviluppo Sperimentazione in impianto minipilota Fattibilità tecno-economica Valutazione Abbandono dello sviluppo Ingegnerizzazione del processo Valutazione tecno-economica di dettaglio Valutazione Abbandono dello sviluppo Progettazione su scala industriale del processo
Approccio moderno Laboratorio: identificazione possibile nuovo processo e raccolta dati chimici e fisici
Fasi successive:
........ il/la chimico/a industriale risponde a queste domande:
SVILUPPO CONCETTUALE: collegamento tra idea e innovazione permette di migliorare il successo verso l'applicazione analizzando alternative, elementi cruciali, ottimizzazione e fattibilità tecno-economica
" Approccio a strati concentrici (layers): definizione iniziale semplice e via via aggiunta di aspetti successive • Modello gerarchico: scelte successive si basano su decisioni precedenti (insieme limitato di aspetti valutati)
> schema di sviluppo onion-like, a layers successivi:
Reattore Separazioni e sistema di riciclo Sistema di recupero del calore Utilities (riscaldamento e raffreddamento) Trattamento acque e affluenti
> costruzione del process flow diagram (PFD) determinando le alternative di processo e identificando quella che può passare allo stadio successivo
Obiettivi dell'analisi concettuale:
Gli obiettivi dipendono dal prodotto: Commodities Focus su innovazione di processo > ottimizzazione, sviluppo concettuale cruciale Fine or specialty chemicals Innovazione di prodotto: volume di mercato limitato ma alto added value, product life cycle ridotto, tempi rapidi per arrivare sul mercato
Le priorità dipendono dalle previsioni di mercato, ma va tenuto conto della loro affidabilità
> sviluppo flessibile e criteri multi-parametrici di decisione, dando un peso relativo agli elementi necessary La flessibilità permette anche di fare overdesign (sovra-progettazione: sovrastima nel calcolo delle dimensioni) che serve sia per criteri di sicurezza che per tenere conto di fluttuazioni nell'alimentazione e imprevisti (safety and contingency)
Spesso è il fattore sostenibilità a motivare lo sviluppo di un nuovo processo, e comunque influenza in modo determinante gli obiettivi e la formulazione del problema progettuale
Ottenere dalla sperimentazione in laboratorio e dall'analisi della letteratura: