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PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI II
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica
Docente: prof. ing. NICOLA VERDONE
Dipartimento Ingegneria Chimica Materiali Ambiente
tel: 06 44585819
e-mail: nicola.verdone@uniroma1.it
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Testi di riferimento
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Douglas J.M. Conceptual Design of Chemical Processes.McGraw-Hill, 1988
Seider W.D., Lewin D.R., Seader J.D., Widagdo S., Gani R.,Ng K.N. Product and Process Design Principles – Synthesis,Analysis and Evaluation, 4th ed. Wiley, 2017
Turton R., Shaeiwitz J.A., Bhattacharyya D., Whiting W.B.Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes, 5th
ed. Prentice-Hall, 2018
Lucidi delle lezioni
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Testi di riferimento
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Perry R.H., Green D.W., Maloney J.O. Perry’s ChemicalEngineering Handbook, 8th ed. New York: McGraw-Hill,2008.
Ludwig E.E. Applied Process Design for Chemical andPetrochemical Plants. Vol. I, II e III, 3rd ed. GulfProfessional Publishing, 1999.
Dimian A.C., Bildea C.S., Kiss A.A. Integrated Design andSimulation of Chemical Processes, 2nd ed., Elsevier 2014.
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Overview
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Overview
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Schemi di Processo
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Sommario
Diagrammi di flusso
Block Flow Diagrams (BFD)
Process Flow Diagrams (PFD)
Piping and Instrument Diagrams (P&ID)
Altri schemi di uso comune
Layout di impianto 3-D
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Schemi su tre livelli
Block Flow Diagram (BFD)
Process Flow Diagram (PFD)
Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) –spesso definito Mechanical Flow Diagram
Aumenta la Aumenta la
complessità comprensione
concettuale
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Block Flow Diagram (BFD)
Il BFD descrive il processo chimico nel suocomplesso
Il flusso di materie prime e prodotti può esserecompreso in un BFD
Il BFD è una descrizione superficiale del processo:sono assenti le informazioni proprie dell’ingegneriachimica
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Definizioni di BFD
Block Flow Process Diagram
Simile a schematizzazioni dei bilanci di materiae di energia
Block Flow Plant Diagram
Fornisce una visuale generale di grandicomplessi industriali
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Block Flow Process Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Block Flow Plant Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Block Flow Plant Diagram
Convenzioni e format per il disegno di un BFD
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Process Flow Diagram
Il PFD riporta tutte le informazionidell’ingegneria di processo
Il PFD è disegnato su fogli di carta di grandi
dimensioni mediante software CAD
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Process Flow Diagram
Tutte le apparecchiature principali, conidentificazione alfanumerica unica e nome descrittivo
Tutte le correnti di processo identificate mediantenumero
Tutte le correnti di servizio alle apparecchiature piùimportanti con funzione di processo
Loop di controllo fondamentali che descrivono lestrategie di controllo utilizzate per operare il processoalle condizioni normali
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
contenuti
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Descrive la topologia del processo,mostrando le connessioni di tutte le correntie le apparecchiature Esempio: processo di produzione del benzene
mediante idrodealchilazione del toluene
È corredato da tabelle che riportanoinformazioni che non trovano spazio neldiagramma
Uso di convenzioni appropriate: la consistenzaè un requisito importante nella trasmissionedelle informazioni di processo
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Simboli per il disegno dei Process Flow Diagram
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Convenzioni utilizzate per identificare le apparecchiature di processo
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Identificazione alfanumerica delle apparecchiature
XX-YZZ A/B/…
XX rappresenta la designazione mediante 1- o 2-lettere dell’apparecchiatura (P = pompa)
Y è il numero identificativo a 1 o 2 cifre dell’unitàproduttiva (1-99)
ZZ è il numero identificativo dell’apparecchiaturanell’unità produttiva (1-99)
A/B/… identifica la presenza di apparecchiaturespare
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Identificazione alfanumerica delle apparecchiature
Ad esempio, T-905 è la 5a Torre nell’unità 900, P-
301 A/B è la 1a Pompa nell’unità 300 più unaapparecchiatura spare
Utilizzare lettere non ambigue per nuoveapparecchiature P.e. per le Turbine usare Tb or J e non T (usata per le Torri)
Nella sostituzione del recipiente V-302 con uno progettatodiversamente, utilizzare V-319 e non V-302, poiché potrebbe essereconfuso con il V-302 originale
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Identificazione e disegno delle correnti
Numerazione delle correnti da sinistra a destra perquanto possibile
Le linee orizzontali dominano
si no no
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Identificazione e disegno delle correnti
Utilizzo di frecce per indicare:
variazioni di direzione
ingressi nelle apparecchiature
Le correnti relative alle utilities devono seguire laconvenzione riportata nella tabella seguente
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Identificazione e disegno delle correnti
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Poiché gli schemi possono avere piccole dimensioni,non è possibile inserire molte informazioni riguardole correnti
Devono essere comunque presenti i dati importanti,come quelli relativi a colonne e reattori
Si utilizzano bandierine (flag) – vedi lo schemaper l’HDA del toluene
Le informazioni complete riguardo alle correntisono riportate in una tabella riassuntiva separata
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Informazioni nella tabella riassuntiva relativa alle correnti
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Tabella riassuntiva relativa alle correnti: processo HDA toluene
alim toluene alim idrogeno alim Rx #1 alim Rx #2
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Tabella riassuntiva relativa alle correnti: processo HDA toluene
output Rx prod benzene prod fuel gas
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Tabella riassuntiva relativa alle correnti: processo HDA toluene
Verifica del bilancio di materia del processo
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Tabella riassuntiva relativa alle correnti: processo HDA toluene
Conversione per passo del toluene
toluene introdotto
144 (corrente 6) + 0.04 (corrente 7) = 144.04 kmoli h-1
benzene prodotto
116 (corrente 9) – 7.6 (corrente 6) – 0.37 (corrente 7) = 108.03 kmoli h-1
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Loop di controllo fondamentali
Spesso nel PFD sono riportati i loop di controllofondamentali, come ad esempio quelli coinvolti nelmantenimento del bilancio di materia o il sistema dicontrollo dei reattori
La strumentazione e gli altri loop di controllo nonvengono di norma inseriti nel PFD
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Loop di controllo fondamentali
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Informazioni riguardanti le apparecchiature
La singola apparecchiatura è identificata mediante unnumero e un’etichetta (nome) posizionati all’estremosuperiore del PFD
Le informazioni fondamentali, come dimensioni e altridati chiave, sono riportate in una tabella separata
Questa descrizione delle apparecchiature è comunesia per i PFD sia per P&ID
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PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Descrizione delle apparecchiature per PFD e P&ID
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PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Descrizione delle apparecchiature per il processo HDA del toluene
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PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Descrizione delle apparecchiature per il processo HDA del toluene
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Specifiche delle apparecchiature
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Esempio di specifica diprocesso per colonne
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Specifiche delle apparecchiature
Esempio di disegno dicolonna
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Process Flow Diagram
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Informazioni riguardanti le apparecchiature
Il PFD vero e proprio, la tabella riassuntiva dellecorrenti e la tabella riassuntiva delle apparecchiaturecostituiscono il PFD effettivo
Le informazioni contenute in questi documenti sonosufficienti per eseguire la stima preliminaredell’investimento di capitale e del costo di produzione
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Il Piping and Instrument Diagram (P&ID)
P&ID – documento fondamentale per la fase dicostruzione
Contenuti: informazioni necessarie alla costruzionedell’impianto (piping, processo, strumentazione, ealtro)
Le informazioni contenute nel P&ID sono riassuntenelle tabelle seguenti
Le convenzioni utilizzate per la strumentazione sonoriportate in un’ulteriore tabella
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Piping and Instrument Diagram (P&ID)
Informazioni escluse dal P&ID
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Piping and Instrument Diagram (P&ID)
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Convenzioni per l’elaborazione del P&ID
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Il Piping and Instrument Diagram (P&ID)
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Convenzioni per l’identificazione della strumentazione nel P&ID
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Il Piping and Instrument Diagram (P&ID)
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Il Piping and Instrument Diagram (P&ID)
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
V-102 è equipaggiato con un LE (Level Element)
L’elemento LE rileva il livello del liquido nelseparatore e regola la portata uscentedall’apparecchiatura
L’elemento LE apre e chiude una valvola diregolazione in funzione del livello di liquido all’internodel recipiente
L’elemento LE e la valvola di regolazionecostituiscono un loop di controllo feedback
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Il Piping and Instrument Diagram (P&ID)
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Altri schemi di uso comune
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Altri schemi di uso comune
Piante – disegnate osservando l’impianto dall’alto(disegnate in scala complete di tutte leapparecchiature principali)
Schemi in elevazione – riportano la vista laterale eforniscono informazioni sulla distanza delleapparecchiature dal suolo
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Altri schemi di uso comune
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Differenti tipologie di layout in pianta
Disposizione con montaggio Disposizione con montaggio
a terra in struttura verticale
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Altri schemi di uso comune
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Distanze minime consigliate (ft) tra apparecchiature di processo per raffinerie e impianti chimici e petrolchimici
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Altri schemi di uso comune
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Effetto del posizionamento delle apparecchiature sulla facilità di accesso per manutenzione
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Altri schemi di uso comune
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Esempi di plot plans e schemi in elevazione
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Altri schemi di uso comune
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Motivazioni per cui è richiesta l’elevazione delle apparecchiature
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Altri schemi di uso comune
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Piping Isometrics – descrivono lo sviluppo del piping in tredimensioni
Disegno dei recipienti – riportano le dimensioni chiave delleapparecchiature e il posizionamento dei bocchelli diingresso e di uscita, ecc.
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Altri schemi di uso comune
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
Esempio di Piping Isometrics
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Modelli in scala e impianti virtuali
In passato venivano usati modelli fisici a scopo diverifica
Ora è possibile costruire, mediante software, modellivirtuali o elettronici (3-D Plant Diagrams)
Lo scopo di questi modelli è l’individuazione di errori,come
Interferenze nello sviluppo del piping
Disallineamenti del piping
Difficile accessibilità alle apparecchiature
Punti di campionamento non facilmenteaccessibili da parte degli operatori
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3-D Plant Diagrams
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI
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Sommario
Tre tipologie di schemi (BFD, PFD, and P&ID) sonoutilizzate per trasmettere informazioni tecnichespecifiche a complessità crescente circa il processo
È importante aderire a standard comuni perl’elaborazione di questi schemi in modo da evitarepossibili confusioni
Le informazioni relative al layout delleapparecchiature sono trasmesse in modo piùefficace mediante un diagramma di layoutdell’impianto 3-D
PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI