Impianti dell’Industria di Processo
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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
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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
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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.
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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
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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.
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Capitolo 3
Dal Basic Design alla quantificazione economica di un Impianto di Processo
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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)
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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.
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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
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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.