Corso di Laurea in Ingegneria Chimica

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI SALERNO

Appunti per il corso di

Impianti dellIndustria di Processo II

Rev del 21/03/2009

Prof. Libero Sesti Osso Dipartimento di Ingegneria Chimica e Alimentare

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Indice

Prefazione

Cap. 1. Introduzione

1.1 Introduzione 1.2 Lo schema a blocchi 1.3 Dallo Schema a Blocchi allo Schema di Processo 1.4 Dallo schema di Processo al progetto

Cap. 2. Sviluppo del basic design di un Impianto

2.1 Lidea progetto 2.2 Definizione dellidea progetto 2.3 I progetti plausibili 2.4 Dai progetti plausibili a quelli possibili 2.5 Dai progetti possibili al progetto

Cap. 3. Dal basic design alla quantificazione economica

3.1 Il progetto possibile: lofferta tecnico economica della Engineering Company

3.2 Le convenzioni per lofferta tecnico-economica 3.3 Organizzazione per la realizzazione di un progetto 3.4 Organizzazione tipica di una engineering company

4. Il progetto di un Impianto di Processo

4.1 Le specifiche di progetto 5. Flow Sheeting

5.1. Schema a blocchi 5.2. Process Flow Diagram (PFD) 5.3. Piping and Instrumentation diagram (P&ID) 5.4. Logica di controllo e di interblocco

6. Documentazione di progetto

6.1 Dai flow sheet alla progettazione 6.2 Specifiche di apparecchiature

6.2.1 Data Sheet apparecchiature. 6.3 Classi tubazioni 6.4 Strumentazione 6.4.1Collocazione 6.4.2 Segnale 6.4.3 Rappresentazione degli elementi sensibili

6.4.3.1Instrument Data Sheets (ID/S) 6.4.3.2 Elementi di misura della portata

Fogli dati per strumenti di misura della portata

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6.4.3.3 Elementi sensibili per la pressione e il livello Fogli dati per strumenti di misura della pressione Fogli dati per strumenti di misura del livello

6.4.3.4 Elementi sensibili per lanalisi dei composti Fogli dati per strumenti di analisi di composizione

6.4.3.5 Elementi finali per il controllo Fogli dati per valvole di controllo

6.4.3.6 Valvole di sicurezza Fogli dati per valvole di sicurezza

6.5 Esercizio sulla documentazione di progetto

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Prefazione

C unidea che ha guidato la stesura di questo testo: colmare quel vuoto - in

parte sostanziale, in parte psicologico - che divide il mondo produttivo da

quello della formazione universitaria.

Troppi neo-laureati, muovendo i loro primi passi nelle Imprese, pensano che

quanto fatto allUniversit sia poco applicabile e serva a poco, perch troppo

teorico. La maggior parte di loro si ravvedranno, perdendo per tempo ed

opportunit di carriera preziose.

Su materie che hanno risvolti pratici come la Gestione di un Impianto di

Processo, gli Enti di Formazione hanno in Italia la tendenza a demandare la

formazione al mondo del lavoro. Il risultato che spesso si vede attuato sui

nostri ingegneri un training on the job sicuramente interessante, ma con il

difetto non trascurabile di essere una formazione focalizzata sul particolare.

Risalire dal particolare al generale, in un quadro di sistema, poi un percorso di

maturazione faticoso, demandato nella maggior parte dei casi alla buona

volont ed alle qualit personali del professionista.

E dunque importante fornire agli allievi unidea generale del funzionamento di

un Impianto di Processo, nel tentativo di radicare nella loro cultura

professionale le ragioni per quei comportamenti particolari che troveranno

poi, nel mondo produttivo. Quando saranno in quel contesto, essi dovranno

saper agire, esprimendo la loro professionalit e dispiegando nella pratica la

loro formazione complessiva.

Con queste premesse, gli obiettivi di questo corso sono pertanto:

stimolare la sintesi delle competenze pi tipiche dell Ingegneria di

Processo con un lavoro di richiami dei contenuti di corsi propedeutici;

colmare parte del vuoto che divide il mondo produttivo da quello della

formazione accademica.

Dopo aver letto e studiato questo libro, termini come Schema di Processo (o il

suo equivalente pi diffuso inglese Process Flow Diagram, o il suo acronimo

PFD), Schema Meccanico (o il pi comune Piping and Instrumentation Diagram,

P&ID), Fogli Dati (Data Sheets, D/S) saranno intesi dai lettori come il modo pi

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ovvio e razionale per comprendere ed interpretare nel modo migliore un

impianto di processo.

Mi auguro che questo testo, di supporto al completamento del percorso di

formazione degli allievi, ne faciliti lingresso senza timidezze nel mondo del

lavoro.

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Introduzione

LAlchimista

Ricordate lAlchimista?

Si, quella figura, a met tra un mago medievale ed un chimico moderno, intriso

di mistero, teso tra lo sforzo di una ricerca difficoltosa e le necessit pratiche,

che lo rendevano talvolta tanto simile ad un millantatore.

Cercava di trasformare il piombo in oro!

Come sapete dagli esiti della Storia, non ci riusc mai.

A prescindere dal suo percorso e dalla sua fama, lAlchimista impersonava

unesigenza tutta umana: il desiderio del dominio della materia per ottenere

ricchezza. A conferma del fatto che si ha a che fare con unumana esigenza, gi

secoli prima si era favoleggiato di re Mida, che la leggenda dice trasformasse in

oro qualunque cosa toccasse.

La mitologia e la storia sono fuse e, verrebbe da dire, confuse nelle immagini di

re Mida e dellAlchimista. Tuttavia, si pu trovare in questi personaggi una

radice comune: sia Re Mida con il semplice tocco delle sue mani, sia lAlchimista

con complesse e segrete formule potevano (o, meglio, si diceva che potessero)

trasformare in maniera semplice e diretta la materia per ottenerne oro. Non

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un caso che si volesse ottenere, tra tutti i metalli, proprio loro, che era ed il

simbolo della ricchezza e dunque del potere.

Il sogno dellAlchimista di ottenere oro dal piombo dunque una metafora del

desiderio di sicurezza e potere di ogni uomo.

Il moderno Alchimista

LAlchimista avrebbe voluto trasformare il piombo in oro. Un progetto ben

difficile, che diventato, nel tempo, una realt, pur se in forme diverse rispetto

a quelle che egli, a quei tempi, immaginava. Se gli Alchimisti non hanno

raggiunto il loro scopo perch costoro pensavano di trasformare direttamente

la materia in oro, senza alcun passaggio intermedio.

La soluzione invece sotto i nostri occhi. La storia della tecnologia ha

dimostrato che la materia pu essere trasformata, per ottenere un prodotto

vendibile Non era perseguibile lobiettivo di trasformare direttamente il

piombo in oro, ma certo possibile trasformare le materie prime in prodotti

finiti, semilavorati o energia. La materia si pu dunque trasformare, e il valore

aggiunto del prodotto trasformato ricchezza (dunque, oro!).

E questa lidea alla base della formazione professionale di un Ingegnere

Chimico: un tecnico in grado di trasformare la materia per ottenere prodotti

vendibili (e quindi generare ricchezza).

Potrebbe dunque il lavoro dun Ingegnere Chimico essere definito come

unalchimia?

La risposta un no, deciso. Per ottenere la trasformazione di materie prime in

prodotti sono necessarie conoscenze tecniche complesse, che si concretizzano

in Impianti di Processo. E questa la sintesi della miscela di competenze, la

formula magica costituita da conoscenze scientifiche, tecnologiche e

organizzative, che rende possibile la doppia magia della trasformazione della

materia e della creazione della ricchezza. Lorganizzazione corretta delle

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conoscenze costituisce dunque un sapere (know how) specifico dellIngegnere

Chimico.

La materia viene trasformata tramite un Impianto di Processo. Tuttavia

limpianto, ancor prima di essere fisicamente realizzato, schematizzato sulla

carta, in un progetto complesso.

Le formule per il progetto vengono scritte in un linguaggio per addetti ai

lavori, nei documenti di progetto. Il gestore dellimpianto, cos come il

progettista, trarr vantaggi importanti dal saper leggere le formule, cio la

documentazione di progetto. La scrittura - ed ancor pi la lettura della

documentazione dunque un passo essenziale, per quanto abbastanza

articolato.

Il metodo di lavoro, il saper dimensionare le apparecchiature, il saper

organizzare le attivit costituisce una parte della formula magica del moderno

alchimista.

1. Introduzione

La progettazione di un impianto di processo viene effettuata in un tempo

limitato ed in maniera coordinata da una pluralit di soggetti; limpegno di

Foto di un Impianto di Processo

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ore/uomo e le differenti professionalit coinvolte nella progettazione di un

impianto talmente elevato da rendere necessario un lavoro di gruppo di

lavoro (team di progetto) ampio e ben coordinato. Ogni componente del gruppo

di lavoro deve portare a compimento il proprio compito nel ristretto periodo di

tempo a lui assegnato.

Per realizzare un progetto nei tempi necessario dunque tener conto della

necessit di distribuire informazioni al momento giusto a numerose e diverse

figure professionali.

Per far fronte a questa esigenza, si sono andati affermando metodi di lavoro e

alcuni tipici documenti tecnici standardizzati, che sono gli strumenti attraverso

i quali si veicolano le informazioni e grazie ai quali, attraverso informazioni

dallinterpretazione univoca, si limitano sia le ambiguit (che possono

rallentare le attivit), sia gli errori di progetto.

La raccolta di questi documenti costituisce il progetto propriamente detto.

E dunque essenziale che un Ingegnere di Processo si muova con sicurezza tra la

documentazione di progetto, che viene correntemente utilizzata a supporto

dellesercizio dellimpianto, sia per la normale gestione, sia per fronteggiare

eventi imprevisti o ancora per la esatta individuazione degli elementi

costituenti limpianto e dei suoi materiali. Grazie a queste conoscenze

lIngegnere pu effettuare la migliore analisi del problema che in quel momento

deve risolvere e quindi elaborare una corretta soluzione.

Per raggiungere questo obiettivo si ritenuto essenziale in questo corso

evidenziare la logica con cui si mettono insieme le informazioni e quindi

ripercorrere con rapidit la messa a punto di un progetto e la documentazione

da sviluppare.

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Laltra parte del lavoro si concretizza nella capacit di effettiva trasformazione

della materia, attraverso quello che viene in gergo detto gestione (o esercizio)

dellimpianto.

2.1 Il progetto di un impianto: una complessa organizzazione

Ci pare oppotuno tuttavia dare da subito unidea globale del procedimento che

porta alla realizzazione di un impianto.

Con la globalizzazione cresciuta la complessit dei mercati e

linterdipendenza di sistemi economici e politici. Anche a causa di ci lipotesi di

realizzazione di ogni progetto richiede un esame critico della fattibilit, della

rilevanza economica, dellimpatto ambientale.

In generale, tutto ci realizzato con l'aiuto di uno studio di fattibilit, che

include la progettazione preliminare. Le analisi del mercato sono effettuate per

determinare le vendite potenziali, la dinamica prevista per la domanda, la

disponibilit delle materie prime e la situazione competitiva. Sono specificate la

capacit, la localizzazione dell'impianto e devessere prestata particolare

attenzione per la protezione dell'ambiente. Gli studi sono completati dala stima

dei capitali necessari per realizzare limpianto e del profitto previsto.

Una volta presa la decisione di effettuare linvestimento, linvestitore, di norma,

non lo realizza in proprio, ma lo commissiona a terzi. E necessario pertanto che

il committente dellimpianto elabori una definizione esatta e completa delle

caratteristiche dellimpianto, da utilizzarsi come base delle offerte richieste a

ditte specializzate, di solito societ di ingegneria. Questo metodo viene

utilizzato nella grande generalit dei casi, ma sicuramente non ci sono eccezioni

in caso di grandi progetti. La fase concettuale del progetto si conclude con

lassegnazione di un contratto per la realizzazione dun progetto ad una societ

dingegneria.

La realizzazione di un impianto di processo si compone delle fasi di ingegneria,

d'acquisizione delle apparecchiature e del materiale dellimpianto, di

costruzione e di avviamento. La societ di ingegneria che progetta limpianto

realizza pertanto le suddette attivit, realizzandole in proprio o

subappaltandole. In questo secondo caso, la societ sceglie, coordina e controlla

il subfornitore. Solo in casi rari la societ dingegeria attrezzata per la

realizzazione delle apparecchiature; la norma che tali apparecchiature

vengano commissionate e realizzate da ditte specializzate per la costruzione.

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A costruzione dellimpianto ed avviamento avvenuto, si effettua una prova di

funzionalit dellimpainto (test run). Se il test run ha successo, limpianto

cosegnato al committente, che inizier ad esercirlo secondo la sua

pianificazione.

La realizzazione di un impianto dunque un processo complesso.

E tuttavia ben chiaro che allinizio di un lavoro il progetto non esiste, ma esiste

lesigenza di un determinato prodotto. Il progettista avvia il lavoro con in mente

lobiettivo da raggiungere (il prodotto o, pi in generale, i bisogni) e -

sviluppando lentamente e progressivamente le sue idee - arriva a valutare

dapprima un certo numero di progetti plausibili. Successivamente lo stesso

progettista restringe il campo della sua analisi ai progetti possibili, definendo la

migliore strada per raggiungere gli obiettivi (o soddisfare i bisogni). Nel seguito

descriveremo pi dettagliatamente il percorso.

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Capitolo I

Introduzione

(LIngegneria Chimica, definizione dal FOUST)

1. Sommario

In questo capitolo illustreremo come si possa rendere via pi concreta lidea di

un Impianto di Processo, ragionando su schemi a blocchi e sulle Unit Operation.

Alla fine del capitolo, sar chiaro il concetto di impianto come insieme di

apparecchiature (o di famiglia funzionale di apparecchiature) pensate per una

determinata trasformazione della materia.

1.1 Lidea base della progettazione a partire dalle Unit Operation

Se ad un allievo Ingegnere Chimico, Meccanico o Gestionale si chiedesse in

quale ambito lavorativo si pensi collocato nel futuro, le risposte pi probabili

sarebbero: la conduzione, la progettazione o la realizzazione in parte o in toto

di impianti industriali.

Impianto dunque parola chiave. Esso visto come linsieme fisico di

apparecchiature in cui realizzare un processo, cio linsieme delle

trasformazioni che portano la materia prima ad essere un prodotto.

Impianto di Processo finisce per riassumere dunque i due concetti di insieme

di apparecchiature organizzate per ottenere una certa trasformazione della

materia e la produzione industriale.

E naturale che lImpianto di Processo sia oggetto di particolare attenzione da

parte dellIngegnere, sia in relazione alla fase di progetto (cio alle attivit

inerenti la realizzazione dellimpianto), sia a quella di esercizio (cio allattivit

di trasformazione della materia prima in prodotto).

La fase della progettazione si realizza di norma attraverso un metodo di lavoro

ben definito. Tale lavoro, articolato con lausilio di numerose professionalit e

pertanto posto in essere da pi persone, veicolato attraverso alcuni specifici

documenti (la documentazione tecnica) che costituiscono il corpo portante per

la realizzazione di un impianto di processo.

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La fase di gestione (o esercizio) richiede altrettanta attenzione. Durante

lesercizio, limpianto viene effettivamente utilizzato alimentando materie

prime ed ottenendo prodotti (e valore aggiunto). In particolare, un approccio

razionale alla fase di esercizio non pu che partire dalla conoscenza del

progetto, che determina caratteristiche operative e peculiarit dellimpianto

stesso. Una buona conoscenza delle informazioni di base per la gestione di un

impianto prende le mosse quindi da una analisi preventiva di parte della

documentazione di progetto.

La conoscenza che gli allievi Ingegneri hanno maturato fino a questo corso si

andata incentrando, dopo aver acquisito competenze di base e strumenti

tecnici, sui principi dellIngegneria Chimica, sulle apparecchiature principali

(Unit Operations, U.O.) e sulla configurazione impiantistica di alcune delle pi

importanti trasformazioni della industria di processo.

La maggior parte degli impianti di processo sono utilizzati per la realizzazione

di prodotti ben definiti e caratterizzati. Si sono andati dunque perfezionando

nel tempo delle configurazioni di impianto con arrangiamenti di U.O. selezionati

per la pi efficiente trasformazione della materia prima in prodotto. Sono

questi i processi studiati solitamente nelle materie di Chimica Industriale.

Tuttavia le U.O., se collocate opportunamente, consentono la realizzazione di

prodotti non convenzionali o di impianti non standard.

Le U.O. possono essere quindi viste come veri e propri tasselli che permettono

nel loro insieme dottenere la trasformazione voluta. Lorganizzazione dei

tasselli di un impianto segue una sua logica complessa. Per comprendere tale

logica, visto che un impianto industriale non rientra nella diretta pratica

esperienziale cos come altri manufatti, come ad esempio una struttura edilizia,

utilizzeremo una analogia.

Proviamo infatti ad immaginare come strumenti di lavoro le varie parti

d'impianto (le U.O., ma anche le macchine operatrici ed altri dettagli

dellimpianto) assimilandoli ai mattoncini di una scatola di costruzioni, del tipo

Lego".

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Limpianto pu essere visto come dunque un insieme di mattoncini.

Pezzo di forma prefissata = Unit Operation

Se guardiamo al processo, possiamo assimilarlo allidea della forma (funzione

obiettivo) che il bambino ha in mente e che realizzer attraverso lassemblaggio

dei mattoncini.

La creazione del bambino consiste dunque nel mettere insieme i mattoncini in

modo da riprodurre la forma delloggetto che ha in mente.

Il bambino connette quindi i suoi mattoncini con una logica che ripercorre una

funzione-obiettivo.

In maniera simile l'Ingegnere Chimico attinge alle U.O. per assemblarle alla

ricerca di un processo (cio della funzione obiettivo, che la trasformazione di

una certa materia prima in un prodotto).

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Appare piuttosto chiaro che il bambino, senza visionare i pezzi, cio senza

conoscerne la forma, avrebbe difficolt nel concretizzare le forme che ha in

mente, pur essendo facilitato nei suoi primi approcci dallaver a disposizione

mattoncini molto schematici e in un numero ridotto.

Allo stesso modo un processo prende la sua prima bozza di forma, utilizzando

U.O. elementari.

Quando il bambino avr acquisito una maggiore maturit cognitiva, arriver ad

utilizzare un maggior numero di componenti e quindi alla realizzazione di

forme che sono al tempo stesso pi complesse e realistiche.

Qualcosa di simile accade quando un processo prende forma, in presenza di un

tecnico maturo.

1.2 Lo schema a blocchi

Ripercorriamo dunque la stessa strada evolutiva che abbiamo usato

nellesempio anche per la progettazione. L'infante Ingegnere Chimico avr

problemi a manipolare fin dallinizio pezzi troppo dettagliati (le U.O.), mentre si

trover maggiormente a proprio agio con pezzi semplici. Egli si trova quindi pi

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a proprio agio a ragionare in termini di famiglie funzionali piuttosto che di

specifiche U.O.

Per questa ragione sono state qui accorpate le principali Unit Operations

(colonna a destra, analoghe al Lego) in famiglie funzionali (colonna a sinistra,

analoghe a Duplo):

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Famiglie funzionali Unit Operation

Separatori

Splitter

Flash

Distillatori

Decantatori

.....

Scambiatori

Scamb. di calore

Scamb. di materia

Estrattori

Assorbitori

Scambiatori di energia meccanica

Pompe

Compressori

Turbine

Valvole

Reattori

Reattori Plug flow

Reattori CSTR

Reattori non ideali

Miscelatori

Miscelatori di correnti

Quando si procede alla prima costruzione di uno schema logico per una certa

trasformazione della materia, si utilizzano le famiglie funzionali (separatori,

scambiatori e reattori) e si ottiene come risultato lo schema pi semplice, che

detto schema a blocchi.

I pezzi con cui iniziare a costruire sono dunque solo 4, e nell'ambito della stessa

famiglia funzionale rappresentano varie Unit Operations.

E ovvio che in questo modo la rappresentazione del processo rimane

grossolana, cio poco definita nei dettagli.

1.3 Dallo Schema a Blocchi allo Schema di Processo

Abbiamo gi ricordato che nellevoluzione del percorso cognitivo del bambino,

le forme in cui simbatte e che deve organizzare diventano sempre pi definite

man mano che si ha la maturit per manipolare pezzi in maggior numero, di

dimensioni e forme sempre pi differenziate.

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Analogamente i possibili schemi dimpianto di processo diventano sempre pi

definiti man mano che si aggiungono vere Unit Operations, le cui funzioni sono

specificamente e tecnicamente definite. E questo il caso in cui si passa dalle

famiglie funzionali ad apparecchiature tipiche dellingegneria chimica, note e

caratterizzate.

1.4 Dallo schema di Processo al progetto

Spingiamo ancora avanti l'analogia. Cosa tiene insieme una costruzione? Gli

incastri, cio una compatibilit fisica tra i vari mattoncini utilizzati. Similmente,

la complementarit fisica, espressa dalle leggi di continuit e di conservazione

tiene insieme un impianto. Queste compatibilit sono molto semplici, essendo

ovvio che tra due U.O. poste in serie ci sia una congruenza tra i flussi di materia,

energia e quantit di moto. E attraverso le funzioni di trasferimento (cio

attraverso la trasformazione di un input in un output) di ogni U.O. ed attraverso

queste congruenze che si va definendo il prodotto, cio lobiettivo di un

processo.

Si potrebbe spingere ancora lanalogia tra le particolarizzazioni delle U.O. e i pi

evoluti giochi di costruzioni. Tuttavia il discorso si allargherebbe senza

aggiungere molto di sostanziale ai concetti gi introdotti.

Pi che le analogie, opportuno a questo punto segnalare una differenza tra

questi due casi. All'Ingegnere Chimico richiesta qualcosa in pi rispetto

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bambino costruttore esperto: gli richiesto non solo di scegliere i pezzi, ma

anche di "realizzarli su misura". Il progetto delle singole U.O. in un impianto ha,

in definitiva, questo senso E come se lIngegnere Chimico dovesse costruirsi

da s tutti i pezzi, uno ad uno, avendo cura di prevederne gli incastri e la forma

dellinsieme. Da questo punto di vista, il lavoro dellIngegnere Chimico

assimilabile a quello di un progettista di modelli di aerei o navi, in cui ogni

pezzo pensato, progettato e realizzato in funzione dellobiettivo finale

(laereo, la nave o lImpianto di Processo).

Anche se forse ancora la maggior parte degli allievi lettori non ne ha piena

coscienza, le chiavi per l'accesso alla parte di fabbrica in cui si realizzano i pezzi

"su misura" sono gi, parzialmente, in loro possesso. Tali chiavi sono contenute

nei libri di Chimica Fisica, Principi di Ingegneria Chimica e Fenomeni di

Trasporto, di Impianti Chimici, di Reattori Chimici, per citare solo i pi rilevanti

tra quelli recentemente utilizzati.

Non solo la conoscenza dei suddetti fondamenti dellingegneria chimica, ma

anche il metodo della progettazione e la lettura ed interpretazione dei

documenti generati per la progettazione costituiscono parte delle chiavi della

porta daccesso. Con il pieno possesso di questi strumenti sar di certo pi

agevole affacciarsi al mondo dellIndustria di Processo.

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Capitolo 2

Introduzione allo sviluppo del

Basic Design

di un Impianto di Processo

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2. Introduzione allo sviluppo del Basic Design di un Impianto di processo

In questo capitolo si percorreranno brevemente le fasi preliminari allo sviluppo

di un progetto, a partire dalle forme pi semplici.

Si affronter per prima cosa un sommario avvicinamento al progetto di un

impianto di processo, attraverso un metodo di lavoro che porta ad una

definizione degli obiettivi ed U.O. sempre maggiore.

2.1 Lidea progetto

Alla base della realizzazione di un impianto di trasformazione c sempre

lesigenza di avere la disponibilit di un certo prodotto1, che pu essere

ottenuto grazie alla realizzazione di un progetto di un impianto di processo.

Detto progetto in definitiva una complessa attivit creativa, considerata a

ragione una delle pi gratificanti attivit che possa essere intrapresa da un

Ingegnere.

Tuttavia questo concetto semplice si scontra immediatamente con una grossa

difficolt. Per comparare i costi del prodotto sul mercato con quelli che si

potrebbero avere realizzando il prodotto in proprio, bisogna conoscere, gi

nella fase di analisi di fattibilit, il costo del prodotto.

Com noto, il costo di produzione funzione dei costi dinvestimento

dellimpianto (costi fissi) e dei suoi costi operativi (costi variabili). Il che come

dire che bisogna sapere il costo dellimpianto ed i suoi consumi, che in

definitiva il risultato della progettazione e dei bilanci globali di materia ed

energia sul sistema.

Dunque, abbiamo di fronte un grande scoglio: necessario avere finalizzato un

progetto gi definito nei dettagli ancor prima di poter decidere se effettuare

linvestimento.

Vedremo nel seguito come questa difficolt possa essere aggirata con tecniche

di progressivo raffinamento delle informazioni e delle informazioni provenienti

da fonti esterne per arrivare a definire i costi gi in una fase pregressa, ben

prima di decidere linvestimento.

1 E opportuno ricordare che la realizzazione di un impianto non di norma lunico mezzo

per ottenere il prodotto desiderato; nella maggior parte dei casi necessario valutare lopportunit di acquistare il prodotto in alternativa alla produzione in proprio, oppure considerare la possibilit di ottenerlo in maniera pi economica a partire da intermedi di lavorazione, gi reperibili sul mercato.

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2.2 Definizione dellidea progetto

Sia che si tratti di un prodotto finito che di un intermedio di lavorazione, uno

dei primi problemi da risolvere la conoscenza preliminare di:

produzione e costi

comparazione del costo di produzione con quello di mercato e

valutazione del ritorno dellinvestimento.

Come gi detto, per la conoscenza del costo di produzione necessario avere il

dettaglio di costi operativi (e quindi una affidabile stima dei consumi) e di costi

dinvestimento dellimpianto ipotizzato (e dunque una stima affidabile del costo

dinvestimento).

Allo stadio iniziale di un progetto, che ancora poco pi che unidea, tali

informazioni, non sono certo disponibili. Eppure proprio queste sono le

informazioni su cui si deve basare un progetto dinvestimento2.

E necessaria dunque una sorta di marcia di avvicinamento ad un possibile

progetto, utilizzando inizialmente lo stato dellarte (progetti plausibili). Il

numero delle soluzioni plausibili pu essere ridotto sulla base di informazioni

disponibili (che devono essere minimali) e si procede alle scelte definendo man

mano i dettagli caratterizzanti limpianto specifico (progetti possibili).

Vedremo nel seguito come si possa realizzare questa marcia di avvicinamento.

2.4 I progetti plausibili

In via teorica, la trasformazione di materie prime in prodotti pu essere

ipotizzata ricorrendo alla pi semplice delle schematizzazioni, in cui il processo

suddiviso in blocchi, ognuno dei quali rappresenta una funzione logica.

E questo un utile punto di partenza, comprensibile anche ai non tecnici, in cui

viene schematizzato un processo di trasformazione della materia.

2 La stima dei costi dinvestimento ed operativi di un dato impianto devessere non solo

affidabile, quanto anche precisa. Infatti solitamente linvestimento industriale (classificato come capitale di rischio) compete con altri potenziali investimenti, per esempio di carattere immobiliare o finanziario. E chiaro che il progettato investimento industriale, per essere realizzato, dovr essere pi attraente (cio pi redditizio) e con margini di incertezza resi minimi. Ad esempio, un investimento di una somma determinata con un ritorno dinvestimento a 3 anni certamente interessante se il margine dincertezza dellordine dell1% dello stesso investimento, mentre esso pu diventare dubbio in caso di margine dincertezza del 5%.

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Per esempio, un impianto per la produzione didrogeno a partire da

idrocarburi, pu essere schematizzato come nella figura 2.1:

Ovviamente uno schema di questo tipo non associabile ad un unico impianto,

anzi a partire da questo schema sono realizzabili numerose tipologie

dimpianto.

Per restare nellesempio dellimpianto per la produzione di idrogeno, sono

possibili diverse tipologie di reattori (per esempio reattore non catalitico a

combustione parziale, reattore catalitico di steam reforming); per quanto

riguarda la separazione dei prodotti, sono disponibili almeno due alternative:

separazione con impianto di distillazione, separazione tramite setacci

molecolari (Pressure Swing Adsorbtion, PSA).

Da questo esempio evidente che il progetto si indirizza su basi tecniche fin dai

primi passi, cio fin dalla valutazione dei processi plausibili.

La via maestra per la selezione dei progetti plausibili una indagine a tappeto,

in cui la ricerca, finalizzata al prodotto, va effettuata su opere bibliografiche

Prettrattamento carica

Unit di reazione

Separazione di prodotti e sottoprodotti

Idrocarburo

Sottoprodotti

Prodotti

Figura 2.1 Schematizzazione di massima di un impianto per la produzione di H2

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generaliste o su mezzi informatici. Per esempio, un approccio razionale

partire da testi di Chimica Industriale o, meglio, da unopera particolarmente

completa come il Kirk - Othmer3. Un'altra possibile strada - allo stato attuale

certamente molto meno completa della precedente - quella della rete internet

o di siti specializzati per lindustria Chimica4.

Attraverso una ricerca che usi come parola chiave il prodotto (nel caso in

esame: idrogeno, H2) su strumenti del tipo prima menzionati, sono ottenibili

senza eccessivi sforzi informazioni sui processi e sulle tecnologie disponibili,

che costituiscono la lista di progetti plausibili. I progetti plausibili sono infatti

quelli che raggiungono lobiettivo di ottenimento del prodotto.

Elenco delle reazioni chiave per la produzione industriale dellidrogeno,

reelaborato dal Kirk Othmer

Una volta individuati lo schema delle reazioni collegato ai progetti plausibili,

possibile costituire per ognuno di questi uno schema a blocchi pi dettagliato,

specifico per la tecnologia selezionata. Per esempio, in uno degli impianti per la

produzione didrogeno a partire da idrocarburi, lo schema a blocchi pu essere

specializzato come mostrato nella figura 2.2.

3 Kirk - Othmer, Enciclopedia of Chemical Technology, J. Wiley & Sons Interscience

4 Ad esempio, un sito ben organizzato www.chemindustry.com

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2.5 Dai progetti plausibili a quelli possibili

A partire dai progetti plausibili, possibile effettuare la scelta della tecnologia

(o delle tecnologie) pi adatta alle potenzialit richieste e alle specifiche di

prodotto necessarie. Per esempio, applicabili alla produzione didrogeno qui

sopra schematizzata a partire da idrocarburi sono possibili diverse reazioni

base e dunque diversi processi. Tali alternative possono tutte essere

considerate progetti plausibili, in quanto tutte permettono di ottenere il

prodotto richiesto.

La scelta tra i progetti alternativi plausibili andrebbe affermata su base

economica. Ci troveremmo quindi di fronte alla insormontabile difficolt di

conoscere i costi di realizzazione di un impianto ancor prima di progettare. E

questa un fase molto delicata,, che di solito richiede lausilio di personale o

consulenti esperti che utilizzano tecniche per stime dei costi utilizzando un

numero ridotto di paraetri.

In maniera semplificata, possiamo immaginare che esistano tuttavia delle aree

di migliore applicabilit per ciascuna di queste tipologie dimpianto, in funzione

Preriscaldamento carica

Mix carica e vapore

Riscaldamento carica e vapore

Reazione

Raffreddamento prodotti e sottoprodotti

Separazione

Carica Idrocarburica

H2 prodotto

Sottoprodotti

Figura 2.2 Schema a blocchi per impianti H2 plausibili

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della quantit di prodotto richiesto, dei costi delle materie prime e dellenergia,

dei costi dimpianto, dellutilizzo e della qualit dei sottoprodotti.

Caratteristiche ed efficienze degli impianti per la produzione di idrogeno,

adattato dal Kirk Othmer

Come si pu vedere dala tabella, esiste sia un costo indicativo di investimento

(che una media degli impianti realizzati) che uno operativo (che una media

dei consumi degli impianti in funzione). Come si chiarisce nelle note, entrambi i

costi sono espressi in milioni di $/100 m3 di idrogeno prodotto, e sono relativi a

stime effettuate nellanno 1987 per impianti della tecnologia data e sono

largamente approssimati, non discriminando tra importanti variabili dei singoli

progetti. Si pensi solo che uno stesso prodotto pu essere ottenuto in un

impianto ad alta efficienza energetica cos come in uno a bassa e che gli

impianti considerati possono essere ad alta automazione cos come a bassa.

Tutte queste approssimazioni fanno s che raramente tali dati possono essere

utilizzati per una effettiva stima dei costi di produzione utilizzabile. Ci che

utilizzabile invece la comparazione dei costi degli impianti, per effettuare la

scrematura dei progetti plausibili i quelli possibili.

Va ricordato tuttavia che necessario andare a rivalutare i costi riportati in

tabella ai nostri giorni, utilizzando le tecniche approssimate, ma utilissime

di aggiornamento degli investimenti. Una volta aggiornato lindice del costo

28

operativo (che legato al costo dellenergia e del combustibile) e quello

dellinvestimento (legato al costo dei materiali), possibile effettuare una

prima comparazione delle tecnologie disponibili per il caso in studio,

scegliendo le tecnologie di migliore applicabilit, cio la tecnologia che

consente il raggiungimento degli obiettivi a costi inferiori.

Per esempio, la produzione didrogeno

con tecnologia SYNGAS ha delle

indicazioni di migliore applicabilit in

relazione alle grandi quantit di prodotti

ottenuti. Limpianto di steam reforming

con distillazione preferibile in relazione

ad una quantit di produzione minore e

quando trovino un mercato interessante

anche i sottoprodotti del processo,

ottenibili abbastanza puri.

Limpianto di steam reforming con PSA

da preferirsi prevalentemente per

capacit piccole o medie e quando il

prodotto desiderato il solo idrogeno.

Indicazioni di questo genere possono

trovarsi su manuali, sui libri di Chimica

Industriale o sul Kirk Othmer5.

I progetti plausibili prima vengono

classificati e poi vengono selezionati in

questo modo, tenendo conto della

quantit di prodotto necessaria e delle

altre condizioni al contorno (per

esempio: esiste un mercato cui si possa

accedere per la vendita dei

sottoprodotti?).

Risultato di queste analisi e selezioni

sono un numero ristretto di alternative

tecnologiche che chiameremo progetti possibili.

5 Kirk - Othmer, Enciclopedia of Chemical Technology, J. Wiley & Sons Interscience

Preriscaldamento carica

Mix carica e vapore

Riscaldamento carica e vapore

Reazione

Raffreddamento prodotti e sottoprodotti

Reazione (H.T.S.)

Carica Idrocarburica

Sottoprodotti Separazione (P.S.A.)

H2 prodotto

Raffreddamento prodotti e sottoprodotti

Reazione (L.T.S.)

Raffreddamento prodotti e sottoprodotti

Figura 2.3 Schema a blocchi di progetti possibili per la realizzazione dun impianto H2

29

I progetti possibili assicurano lottenimento dei prodotti prefissati utilizzando

una o pi famiglie di tecnologie meglio focalizzate allo specifico caso in esame.

Il passaggio dai progetti plausibili a quelli possibili avviene attraversando una

sorta di filtro, costituito da informazioni aggiuntive sul processo e sul contesto

in cui il progetto andrebbe realizzato. E stata citata ad esempio la quantit dei

prodotti e la gamma dei sottoprodotti a guida nella scelta dei progetti pi adatti

(possibili) tra quelli plausibili.

Per esempio, per il gi citato impianto per la produzione di idrogeno si pu

identificare come tecnologia di migliore applicabilit quella dello steam

reforming (sulla base della quantit da produrre) e la separazione dei prodotti

tramite PSA, in cui i sottoprodotti vengono utilizzati come supporto termico e

quindi bruciati (e ci favorevole in assenza di un mercato per i sottoprodotti).

Ci significa che lo schema a blocchi logico pu essere modificato nella forma

mostrata nella figura 2.3.

Per incrementare la resa nel prodotto finale lo schema a blocchi precedente

prevede due reattori catalitici a letto fisso, disposti in serie, in cui si effettua la

reazione la water shift conversion a temperature decrescenti6.

E ovvio che tutti gli impianti che utilizzino la tecnologia dello steam reforming

con purificazione PSA saranno in grado di produrre idrogeno ed appartengono

alla stessa famiglia tecnologica. In questo senso sono tutti progetti possibili.

2.6 Dai progetti possibili al progetto

Allimpianto pi semplice (solo il reattore di steam reforming, seguito da

raffreddamento e separazione) corrisponde con ogni evidenza un costo

dinvestimento minore. Al tempo stesso, ad esso corrisponderanno costi

operativi (cio consumi) pi alti. Il contrario avviene per limpianto pi

complesso, con tre reattori (Reforming, , High Temperature Shift, Low

6 La reazione chimica (di equilibrio) comunemente detta water shift la seguente:

CO + H20 = C02 + H2 + H Essendo la reazione esotermica, temperature ridotte favoriscono, dal punto di vista termodinamico, la conversione ad idrogeno ed anidride carbonica. I reattori HTS (High Temperature Shift) e LTS (Low Temperature Shift) consentono di spostare il grado di conversione ad idrogeno pi in l di quanto non possa realizzarsi con il solo reattore catalitico ad alta temperatura. Daltra parte linvestimento complessivo minore rispetto al caso in cui si utilizzasse il solo LTS, a causa delle cinetiche di conversione pi elevate nel reattore HTS.

30

Temperature Shift) che avr una conversione pi alta e dunque consumi

operativi ridotti rispetto al caso precedente, ma costi dinvestimento pi

elevati.

La scelta, effettuata su base economica comparando tra le soluzioni, sar

condizionata dal numero di reattori da utilizzare ( possibile anche la soluzione

che prevede il solo reattore HTS), non ovvia. Inoltre, lefficienza nella

conversione ed il costo del prodotto dipendono anche dalla scelta delle

condizioni operative di ognuna delle principali apparecchiature.

La scelta dellimpianto pi adatto tra quelli possibili non pu che essere, ancora

una volta, una scelta economica.

Per esempio, per il caso in esame se limpianto fosse sufficientemente grande, la

configurazione con entrambi i reattori per la Water Shift Conversion finirebbe

per affermarsi, poich i vantaggi della migliore efficienza di conversione

compenserebbero e supererebbero se analizzati nellarco di funzionamento

dellimpianto (convenzionalmente 10 anni) - i maggiori costi dinvestimento.

Lo stesso ragionamento pu essere sviluppato anche per impianti di schemi

31

Bibliografia 1. H. Popper: Modern Cost Engineering Techniques, McGraw-Hill, New York 1970. 2. J. T. Thorngren: Probability Technique Improves Investment Analysis, Chem. Eng. Cost File, vol. 9, McGraw-Hill, New York 1967. 3. D. J. Massey, I. H. Black: Predicting Chemical Prices, Chem. Eng. Cost File, vol. 11, McGraw-Hill, New York 1969.

32

Capitolo 3

Dal Basic Design alla quantificazione economica di un Impianto di Processo

33

3. Il Basic Design e la quantificazione economica

Il capitolo che segue descrive il modo pi consueto per ottenere una affidabile

stima dei costi di un impianto per la sua realizzazione e ne esamina alcuni passi

logici.

3.1 Il progetto possibile: lofferta tecnico economica della engineering company

Lo schema a blocchi mostrato in figura 3.1 evidenzia il punto di vista di chi

studia la fattibilit, mostrando quel percorso che abbiamo chiamato marcia

davvicinamento al progetto.

Le varie fasi del progetto sono descritte attraverso una sequenza temporale la

cui fase preliminare include la ricerca di materiale bibliografico, la valutazione

dei progetti plausibili e la individuazione dei progetti possibili.

Fase preliminare di studio

Specifiche tecniche

Richiesta offerta

Scelta dellofferta migliore

Fase di progetto

A B C

Figura 3.1 Fasi per lo sviluppo di un progetto

(definizione dei progetti possibili)

(richiesta dofferta tecnica e economica)

(elaborazione di societ dinge-gneria esterne)

(selezione del progetto pi valido)

(selezione dei progetti plausibili)

34

Sulla base della/e tecnologia/e individuata, si realizzano delle specifiche di

progetto che descrivono linsieme degli obiettivi tecnologici da raggiungere e

dei vincoli di progetto7. Tali informazioni servono da base ai progettisti per

lelaborazione di unofferta tecnica e per la sua quantificazione economica che

preveda la realizzazione dellimpianto compatibilmente con gli obiettivi

prefissati e nel rispetto dei vincoli di progetto.

Se il passaggio dai progetti plausibili a quelli possibili determinato da una fase

di studio di letteratura generalista e del settore, nel tentativo di mettere a fuoco

chiaramente i bisogni, quando si passa alla fase dei progetti possibili si rende

necessaria una loro valutazione economica (stima). Infatti resta evidente il

bisogno primario di finalizzare la fattibilit dellinvestimento valutando a priori

il costo di produzione del prodotto e comparandolo con quello di mercato per

valutare la redditivit del potenziale investimento.

3.2 Le convenzioni per lofferta tecnico-economica

La fase di studio tecnico-economico viene di norma realizzata con la

collaborazione (che usualmente gratuita) di societ di ingegneria

(engineering companies). Tali societ elaborano, su richiesta e con lausilio

della specifiche tecniche del cliente, unofferta per la realizzazione dellimpianto

in cui sono esplicitati sia i costi dinvestimento che i consumi (e dunque,

implicitamente, anche i costi operativi).

Normalmente tale richiesta viene inoltrata da chi valuta la fattibilit della

realizzazione di un impianto ad almeno tre societ di engineering, specializzate

nel settore8, che elaboreranno la loro offerta tecnico-economica, basata sulle

loro compertenze (know how) applicate alle specifiche tecniche loro fornite.

A valle di tale richiesta, chi effettua lo studio di fattibilit verr in possesso di

un certo numero di offerte per la progettazione e la realizzazione di un

determinato impianto e tra queste tenter di selezionare lofferta pi

vantaggiosa, tenendo conto dellinsieme dei costi dinvestimento, dei costi di

esercizio e della qualit tecnica presunta della fornitura. La comparazione tra i

progetti va realizzata infatti su base tecnica ed economica, nel senso che si

7 Il dettaglio sulle specifiche di progetto sar dato nel capitolo 5

8 Un primo elenco delle pi importanti societ di engineering, suddiviso per tipo di prodotto

da realizzare, pu essere reperito su riviste specializzate, come ad esempio Hydrocarbon Processing.

35

sceglier tra i progetti a disposizione quello che d la maggiore affidabilit

tecnica9 e i costi complessivi (di investimento e operativi) pi competitivi.

Fatta questa scelta e decisa la societ verso cui indirizzare linvestimento, con la

stipula del contratto comincia la vera e propria fase progettazione di dettaglio

dellimpianto.

3.3 Organizzazione per la realizzazione di un progetto

Dal punto di vista della engineering company, il percorso che va dalla richiesta

dofferta alleventuale ordine schematizzato con lo schema a blocchi mostrato

nella figura 3.2.

La engineering company riceve la richiesta dofferta con le specifiche di

progetto, in cui sono definite la capacit produttiva, le caratteristiche

tecnologiche dellimpianto e il sito in cui dovr essere realizzato.

9 Al fine di valutare laffidabilit tecnica del progetto, si richiede tra laltro una lista di

referenze (reference list) al progettista. Questo lelenco delle societ per le quali la societ che offre la progettazione e la costruzione dellimpianto ha realizzato impianti della stessa tipologia tecnologica. Il numero delle installazioni e la tipologia della clientela (grandi e prestigiose societ piuttosto che piccole e poco conosciute) sono parametri importanti. Inoltre esiste la possibilit di una richiesta dinformazioni sulla qualit della realizzazione direttamente ai gestori degli impianti realizzati; questultimo strumento utilissimo per una valutazione dettagliata dellaffidabilit e della qualit tecnica e tecnologica della societ di progettazione.

Specifiche di Progetto

Studio inizialeSelezione del processo

Diagrammi di flusso preliminari

Bilanci di materia ed energiaDimensionamento semplificato

di apparecchiaturePFD e P&ID per offerta

Stima semplificata dei costi

Approvazione del progetto

Specifiche di Progetto

Studio inizialeSelezione del processo

Diagrammi di flusso preliminari

Bilanci di materia ed energiaDimensionamento semplificato

di apparecchiaturePFD e P&ID per offerta

Stima semplificata dei costi

Approvazione del progetto

Figura 3.2 Fasi di lavoro duna engineering company per la realizzazione di unofferta

36

Si tenga conto del fatto che una societ di ingegneria specializzata nella

progettazione e nella realizzazione dellimpianto per cui ha avuto la richiesta

dofferta. La suddetta societ ha quindi avuto un certo numero di esperienze di

progettazione e un corrispondente numero bilanci economici che sono il

risultato effettivo dei costi sostenuti nella realizzazione degli impianti

progettati e realizzati. Si pu ben capire, anche senza addentrarsi in dettagli,

che in un tale contesto, la fase dello studio iniziale, quella della selezione del

processo e quella della realizzazione dei diagrammi di flusso su misura per il

cliente non siano un passo eccessivamente problematico. E altrettanto intuitivo

pensare che possano esistere nella societ di ingegneria dei metodi di

progettazione semplificata che permettano di effettuare un dimensionamento

approssimato e rapido (ricordiamo che questa fase del lavoro offerta

gratuitamente), ma anche sufficientemente accurato da essere una base

affidabile per la stima di costi. I costi che vengono indicati nellofferta sono un

impegno effettivo, e sono la base del patto (contratto) per la realizzazione

dellimpianto. Linsieme della documentazione tecnica (PFD, P&ID, descrizione

dellofferta tecnica, disegni di massima delle realizzazioni pi rilevanti) e di

quella economica costituiscono infatti la descrizione compiuta dellimpegno che

la engineering company prende verso il cliente: realizzare quanto descritto al

prezzo pattuito, nei tempi concordati.