Sviluppo dei processi chimici industriali, Università di Padova

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA

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 DI PROCESSI CHIMICI

Produzione

Tipologie principali di processi:

1. Produzione di materie prime o di base per altre industrie. Produttività alta: 10-100kt/d settore energetico (raffinerie), 10-100 t/d settore petrolchimico. Fattori dominanti: efficienza, minimizzazione di sottoprodotti e impatto ambientale.
2. Produzione di prodotti intermedi per altre industrie.
3. Produzione di prodotti finiti per il sistema industriale, l'agricoltura, i servizi e per il consumo. Produttività "bassa": < 1 t/d settore chimica fine e specialistica (e.g., farmaceutico). Fattori dominanti: controllo della qualità del prodotto, utilizzo flessibile delle apparecchiature

Operazioni di processo

Tipologie principali di processi:

1. Continui: altamente automatizzati, bassa intensità di capitale e costo lavoro -> per produzione materie prime/di base
2. Semicontinui
3. Discontinui (multistadio): elevate intensità di operazioni manuali e processi di separazione costosi > per chimica fine

STRUTTURA GENERALE DEI PROCESSI CHIMICI

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

STRUTTURA GENERALE DEI PROCESSI CHIMICI - Operazioni Unitarie

Operazioni unitarie: stadi di processo che possono essere studiati singolarmente e indipendentemente dagli altri.

• Purificazione delle materie prime
• Conversione: riciclo dei regenti e spurgo talvolta necessari per mantenere un livello costante di impurità
• Separazione, principalmente distillazioni (processi continui)
• Formulazione: miscelazione di diversi componenti per ottenere le interfasi necessarie all'uso (prodotti finalizzati al consumo)

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

STRUTTURA GENERALE DEI PROCESSI CHIMICI - Principi Scientifici

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:

1. Natura e composizione di reagenti e prodotti
2. Condizioni operative
3. Trasferimento di massa ed energia

> 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

Scale-up e Sviluppo Industriale

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

SVILUPPO DEI PROCESSI CHIMICI

Tempi e Fasi

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

SVILUPPO DEI PROCESSI CHIMICI - Approccio Moderno

Approccio moderno Laboratorio: identificazione possibile nuovo processo e raccolta dati chimici e fisici

Fasi successive:

1. Studio di fattibilità iniziale Fattibilità tecnica (punti di forza e debolezza) + valutazione mercato + valutazione preliminare impatto ambientale e problematiche sicurezza
2. Flow sheet del processo individuazione e dimensionamento preliminare di unità e operazioni unitarie (sperimentazioni su scale di laboratorio o impianto mini-pilota)
3. Flow sheet quantificato bilanci dettagliati di massa ed energia, modellazione aspetti fluoidodinamici, specifiche delle apparecchiature
4. Flow sheet di dettaglio stima economica di dettaglio, costi di produzione e operazione, potenziali profitti, budget di impianto
5. Flow sheet di progetto stima dettagliata condizioni di operazione, probelmi di sicurezza durante operazioni e stoccaggio, analisi del rischio e impatto ambientale

SVILUPPO DEI PROCESSI CHIMICI - Domande Chiave

........ il/la chimico/a industriale risponde a queste domande:

• Quali reazioni sono coinvolte?
• Quali sono gli aspetti termodinamici? T, P?
• Qual è la produttività del processo?
• Quali sono la quantità e purezza necessarie ai prodotti?
• Quali catalizzatori utilizzare?
• Omogenei o eterogenei?
• Stabilità, disattivazione su quale scala temporale?
• Conseguenze per la progettazione del processo?
• Rigenerazione?
• Quali sono le fasi presenti (G/L)?
• È necessario il riciclo di gas o liquido?
• È necessaria la purificazione dell'alimentazione?
• Come separare i prodotti?
• Quali informazioni sugli equilibri sono necessarie per una progettazione ottimale della sequenza di operazioni di separazione?
• La cinetica è conosciuta con sufficiente precisione per operare in sicurezza?
• Come si può fornire il calore necessario nelle reazioni endotermiche o sottrarre quello prodotto nelle reazioni esotermiche? Vi sono problemi di sicurezza relativi? Quali sono gli aspetti ambientali e di sicurezza?
• Come si può effettuare l'integrazione di differenti funzioni in una singola apparecchiatura (per esempio distillazione reattiva)?
• Quali sono le economie di processo (rispetto alle alternative)?
• Quali miglioramenti in termini di sostenibilità sono possibili?
• È possibile ridurre il carbon footprint e, per esempio, integrare energie rinnovabili?
• Quali barriere esistono allo sviluppo del processo?

SVILUPPO CONCETTUALE DEL PROCESSO

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:

• il reattore è il cuore e poi si aumenta la complessità
• separazione dei prodotti e ricircolo dei reagenti non convertiti
• integrazione energetica per minimizzare i costi energetici e le emissioni di CO2
• utilities di processo per riscaldamento e raffreddamento
• aspetti ambientali legati al trattamento di emissioni gassose e liquid

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

SVILUPPO CONCETTUALE DEL PROCESSO - Obiettivi

Obiettivi dell'analisi concettuale:

• identificare i punti critici dello sviluppo
• identificare informazioni e studi ulteriori necessari
• analizzare il processo in relazione alle alternative possibili
• identificare il layout ottimale

1. Identificazione di obiettivi e priorità

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)

SVILUPPO CONCETTUALE DEL PROCESSO - Criteri e Formulazione

2. Valutazione dei criteri di sicurezza e impatto ambientale

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

3. Formulazione del problema progettuale

Ottenere dalla sperimentazione in laboratorio e dall'analisi della letteratura:

• informazioni sull'obiettivo
• informazioni sull'alimentazione informazioni sulla reazione (stechiometria, temperatura, pressione, concentrazione, fasi, uso di catalizzatore e suo stato, tipologia di reattore, dati di conversione/selettività vs. variabili operative, limitazioni termodinamiche, disattivazione e regenerabilità del catalizzatore, properietà fisiche e chimiche)
• informazioni sull'impianto e vincoli di procsso
• informaizoni su sicurezza, tossicità e impatto ambientale