Chimica Analitica dei Processi Industriali

Laurea Magistrale in Chimica Industriale

6 CFU

prof. Andrea Tapparo

Università degli Studi di Padova

Dipartimento di Scienze Chimiche

6° piano, tel. 049.8275178

andrea.tapparo@unipd.it

A.A. 2014/2015

Obiettivi del Corso

Il corso intende avvicinare gli studenti ai principi e alle applicazioni della Chimica

Analitica di Processo (PAC), illustrando le tecnologie analitiche impiegabili per

ottenere informazioni qualitative e quantitative proprie dei processi chimici industriali,

con finalità di controllo e/o di ottimizzazione delle prestazioni.

Il contenuto del corso copre i metodi di misura non invasivi, alcune strategie di

campionamento e le tecniche di trattamento “on-line” del campione.

Al fine di comprendere la tipologia e la qualità delle informazioni contenute in un

segnale strumentale, il corso prevede un’introduzione al Rumore Strumentale e alle

tecniche impiegate per il miglioramento del rapporto S/N.

Una particolare attenzione viene rivolta agli analizzatori automatici, o in continuo,

basati su misure spettroscopiche, cromatografiche, elettrochimiche o in spettrometria

di massa.

1 CFU verrà dedicato agli aspetti fondamentali dei Regolamenti REACH e CLP e alle

problematiche inerenti la loro attuale applicazione nel settore produttivo-industriale.

Per la frequenza al corso, basilari risulteranno le conoscenze di Chimica Analitica

Strumentale.

La Prova d’Esame è orale.

insegnamenti di Chimica Analitica

Chimica Analitica e Ambiente, prof. A. Tapparo LM in Chimica Industriale, II semestre Chimica Analitica dei Processi Industriali, prof. A. Tapparo LM in Chimica Industriale, II semestre Controllo e Qualità in Chimica Analitica, dott. D. Badocco LM in Chimica, II semestre (non attivato dall’A.A. 2013/14) Chimica Analitica degli Inquinanti, prof. A. Tapparo, dott.ssa S. Bogialli, dott.ssa G. Favaro LM in Chimica, I semestre Chimica degli Alimenti, dott.ssa G. Favaro e dott.ssa E. Schievano LT in Chimica, II semestre

Programma del Corso

1. Introduzione alla Chimica Analitica Processo. Metodi di misura non invasivi; misure off-line, at-

line, on-line e in-line. Tipi di segnale acquisibili, tempi di risposta strumentali, frequenze di

campionamento e tempi di analisi. Esempi ed applicazioni basati su tecniche spettroscopiche

(deNOx).

2. Qualità nelle misure analitiche. Il rumore strumentale, tipi di rumore e strategie di riduzione.

3. FT nella strumentazione analitica. FT-IR principi ed applicazioni all’analisi di processo. Confronti

con IR dispersivo. Applicazioni alle emissioni industriali.

4. Analizzatori automatici della qualità dell’aria. CO: IR non dispersivo, analizzatore fotoacustico e

FT-fotoacustico. NOx, SO2 e Ozono. Dettagli sulla gestione degli interferenti e sulle procedure di

calibrazione.

5. Misura di materiale particolato. Metodi discontinui e continui, vantaggi e limitazioni.

5. Tecniche cromatografiche on-line. Adsorbimento e desorbimento, tecniche di campionamento

attivo e passivo. Esempi di microGC ed analizzatore di S tot.

6. Tecniche MS on-line. Esempi dal settore farmaceutico, alimentare e nella deposizione di film

sottili.

7. I Regolamento Europei CE 1907/2006 REACH e CE 1272/2008 CLP e la loro applicazione.

Problematiche e opportunità per il chimico.

Testo di riferimento: R.Kellner et al. “Chimica Analitica” Edises, Capitolo 16.

E’ consigliata la frequenza alle lezioni, curando accuratamente gli appunti di lezione.

I file pdf delle lezioni sono reperibili presso la pagina web del docente:

http://www.chimica.unipd.it/andrea.tapparo/pubblica/tapparo.htm

Impianto di incenerimento-valorizzazione rifiuti di Schio

Chimica Analitica dei Processi Industriali o Analisi di Processo

tre linee dell’impianto linea 1 da 36 t/g (1978)

linea 2 da 60 t/g (1991)

linea 3 da 100 t/g (2003)

Trattamento fumi linea 3

Analizzatori FTIR

• Monitoraggio in continuo delle emissioni (SME) basato sulla tecnica FTIR

(Fourier Trasformed Infra-Red)

• Analiti misurati : HCl, HF, CO, CO2, NO, NO2, SO2, H2O, NH3

• La temperatura dei fumi viene mantenuta elevata (180 °C) in modo da

evitare condense, corrosioni, deterioramenti

Palmon-Dubai (Emirati Arabi Uniti) VISTA DELL'IMPIANTO A OSMOSI INVERSA con capacità effettiva di 4.800 L/h per la perfetta purificazione dell'acqua dopo l'impianto chimico fisico per il riciclo dell'acqua fino all'80 %. Salinità dopo il chimico fisico: 3.000 mg/L. Dopo l'osmosi inversa: 300 mg/L.

Fonte: Innova srl, http://www.innovaitaly.com/index.php

INGOLD specializes in top-quality solutions

for pH, DO, conductivity, turbidity and CO2 for

process analytics applications in chemical,

pharmaceutical and food & beverage

industries.

THORNTON is a leader for pure water

treatment measurement & control in

pharmaceutical, semiconductor and power

industries with parameters of

conductivity/resistivity, TOC, pH, DO,

dissolved ozone and flow.

Fonte: Mettler Toledo

http://it.mt.com/it/it/home/applications/Top_application_browse.html

Il MeatMaster della FOSS risolve il problema utilizzando i Raggi X. Lo strumento funziona come i

sistemi di controllo bagagli negli aeroporti. Tutta la carne è posta su un nastro trasportatore e passa

sotto il sistema di lettura. Il MeatMaster determina la percentuale di grasso dell’intero lotto. La

produzione è in grado quindi di utilizzare correttamente il prodotto ottimizzando il processo

produttivo, migliorando la standardizzazione e la qualità del prodotto finito.

“Il prodotto finito è più uniforme ed aumenta anche il rendimento nel processo produttivo. Possiamo

risparmiare il 3-4% di prodotto magro, controllando il tenore di grasso con una accuratezza dello

0,5-1%”.

Un ulteriore aspetto della standardizzazione riguarda il risparmio di tempo. Non sono più necessari

campionamenti ed attese dei risultati analitici, la produzione procede regolarmente sotto l’occhio

vigile del MeatMaster.

Industria della Carne: Migliorata la standardizzazione del

grasso mediante raggi X

Una nuova tecnologia analitica può aiutare i produttori di

carne ad avere opportunità di profitto sinora nascoste, per

esempio, risparmiare fino a 800.000 € l’anno se producono

60 ton. di salsicce al giorno.

Per l’industria delle carni la standardizzazione risulta una

sfida particolare. Per la sua stessa natura la carne poco si

presta ad una misura rappresentativa. I campioni sono

spesso poco omogenei e questo può portare a perdita di

profitto in quanto risulta difficile e dispendioso avere il dato

preciso sul rapporto magro/grasso del prodotto in

lavorazione.

http://www.foss.dk/c/p/news/infocusjournal/Oldissues/default.asp

Chimica Analitica dei Processi Industriali o Analisi di Processo

insieme delle procedure di analitiche (di misura) finalizzate al

• controllo di prodotto

• controllo di processo

Impianto di trattamento acque industriali

Chimica Analitica dei Processi Industriali o Analisi di Processo

Modalità di Controllo e di Misura:

• off-line: il campione viene trasferito al laboratorio

• at-line: lo strumento di misura si trova in impianto

• on-line: lo strumento è collegato all’impianto, tipicamente con

una linea di campionamento

• in-line: il sensore di misura si trova all’interno del flusso di

processo

Intellisonde™ - Sonda di monitoraggio acque, 12 parametri

Parametri Fisici: Flusso, Pressione, Temperatura.

Parametri Ottici: Torbidità, Colore.

Parametri Chimici: Cloro, Clorammine, Ossigeno disciolto,

Conduttività, pH, ORP (REDOX), ISE (p.es. fluoruro)

Porta di riserva. La sonda ha una porta di riserva per sviluppare

specifici parametri di rilevamento. L'azienda sta attualmente

studiando il rilevamento della sicurezza dell'acqua e di batteri

specifici.

Varie Interfacce di comunicazione supportate: USB wireless,

TCP/IP, tensione, GPS, ecc.

Registrazione dei dati:

Dodici parametri registrati ogni 5 minuti per 3 mesi

Valori misurati e registrati ad intervalli da 1/minuto a 1/ora

Fonte: AST Analytica srl

http://www.stateoftheart.it/Intellitect.htm

Chimica Analitica dei Processi Industriali o Analisi di Processo

Modalità di Controllo e di Misura:

• off-line: il campione viene trasferito al laboratorio

• at-line: lo strumento di misura si trova in impianto

• on-line: lo strumento è collegato all’impianto, tipicamente con

una linea di campionamento (sampling/transfer line)

• in-line: il sensore di misura si trova all’interno del flusso di

processo

Materiali in entrata Materiali in uscita

Energia Scarti/Rifiuti

Misure off-line: il campione viene trasferito al laboratorio

Vantaggi

Esattezza e precisione della misura

Applicazione di metodi ufficiali, accreditati

Strumentazione non dedicata

Svantaggi

Analisi solo per matrici campionabili – prodotti, materie prime

Tempi di analisi lunghi - costi

Risultati non automaticamente trasferibili alle condizioni di impianto

Utilizzo di strumentazione sofisticata

Personale qualificato

Materiali in entrata Materiali in uscita

Energia Scarti/Rifiuti

Misure at-line: lo strumento di misura si trova in impianto

Vantaggi

Procedure analoghe a quelle di laboratorio

Maggiore velocità di trasferimento del campione e dei risultati

Svantaggi

Tempi analoghi a quelli off-line

Personale qualificato

Problemi nel collocare/adattare le strumentazioni alle condizioni di impianto

Basso livello di automazione

Materiali in entrata Materiali in uscita

Energia Scarti/Rifiuti

strumento

Misure on-line: lo strumento è collegato all’impianto, tipicamente con una linea di

campionamento (sampling/transfer line)

Vantaggi

Strumentazione direttamente interfacciata con il flusso di processo

Strumentazione dedicata/specifica

Alto livello di automazione

Tempi ridotti, elevata frequenza di analisi, costi ridotti

Intervento diretto sui parametri d’impianto

Ridotto intervento del personale (anche non qualificato)

Svantaggi

Scarsa flessibilità, procedure-misure dedicate

Qualità delle misure (esattezza, precisione, LOD)

Materiali in entrata Materiali in uscita

Energia Scarti/Rifiuti

strumento

Misure in-line: il sensore di misura si trova all’interno del flusso di processo

Vantaggi

Strumentazione dedicata/specifica

Strumentazione robusta, normalmente di piccole dimensioni

Misure “in continuo”, tempi ridotti, elevata frequenza di analisi

Massimo livello di automazione e trasferibilità delle informazioni

Svantaggi

Scarsa flessibilità

Disponibilità limitata di sensori

Disponibilità molto limitata di sensori non invasivi

Qualità delle misure

Materiali in entrata Materiali in uscita

Energia Scarti/Rifiuti

strumento

Impianto di incenerimento rifiuti di Schio (Vicenza)

ASA-400 Specifications

Use / Application Measurement of minute quantities of ammonia gas NH3 (slip stream), nitric

oxide (NO), nitrogen dioxide (NO2) and sulfur dioxide (SO2).

Process DeNOx Catalytic and non catalytic removal of nitrogen oxides(SCR, SNCR).

Industry Power generating plants

Measurement

mode Continuous on-line

Measurement

range NH3 0-20ppm (± 1ppm) , SO2 0-2000ppm (± 3% of measurement) NO , NO2 0-

600ppm (± 1% of measurement)

Measurement

principle Diode array UV industrial spectrophotometer

Probe: Hastalloy - cross stack averaging (up to 8 meters long

Sample line 5 meters long (280 ° C) Hastalloy (other lengths - optional)

Output: RS-232 four 4-20mA galvanically isolated outputs.

Ambient

temperature: -20 to 55 ° C

http://www.a-a-inc.com/NewASA400.htm