Tipico diagramma a blocchi di un impiantochimico

Stoccaggio

Necessità di immagazzinare per tempi più o meno lunghi le sostanzeutilizzate nei cicli produttivi, occorre:

• garantire ai cicli produttivi un’alimentazione costante di materieprime e ausiliarie,

• accumulare in maniera temporanea i prodotti prima della lorocommercializzazione o invio a un altro impianto,

• immagazzinare semilavorati che vengono utilizzati all’interno dellostesso impianto. In questo caso si parla di “polmonazione” e irecipienti utilizzati vengono chiamati “polmoni”,

•Garantire lo stoccaggio delle varie sostante in caso di fermatadell’impianto dovuta a guasti o operazioni di manutenzione.

A seconda dello stato fisico della sostanza da immagazzinare si possono avere differenti soluzioni impiantistiche:

Liquidi: Vasche e Serbatoi

Gas: Serbatoi, Gasometri e Bombole

Solidi: Mucchi, Sili e magazzini

Vasche

E’ sicuramente la soluzione più economica, ma essendo aperte nonproteggono il prodotto dagli agenti atmosferici e ne consentonol’evaporazione. Nell’industria di processo vengono utilizzateprevalentemente per l’acqua (antincendio e/o raffreddamento) e quasimai per le materie prime o per i prodotti.Le vasche possono essere fuori terra o parzialmente interrate, quellepiù piccole possono essere metalliche, mentre quelle di dimensionimaggiori sono solitamente in calcestruzzo a sezione quadrata orettangolare.

Serbatoi

Serbatoi

Pressione Atmosferica

In Pressione

Tetto fisso

Tetto galleggiante

Sfere

Hortonsfere

Sigari

Serbatoi

Categoria AProdotti petroliferi liquidicon punti di infiammabilità

Inferiore a 21 °°°°C (grezzo, benzina, etc.)

Categoria BProdotti petroliferi liquidicon punti di infiammabilitàCompreso fra 21 e 65 °°°°C

(gasolio, etc.)

Categoria CProdotti petroliferi liquidicon punti di infiammabilità

Superiore a 65 °°°°C (olio combustibile, etc.)

Serbatoi a tetto fisso

Sono utilizzati principalmente per i liquidi appartenenti allecategorie B/C. Le pareti non superano di norma i 20 m perevitare una pressione eccesiva sul fondo e sulle pareti.

Pressione idrostatica: P = ρ g h

Parti strutturali fondamentali:

- Fondo

- Tetto

- Mantello

Accessori:

Valvola di respiro, misuratori di livello/temperatura, bocchelli diingresso/uscita, prese campione, passi d’uomo, sistemaantincendio, scale, serpentina riscaldante, agitatore, messa aterra, sistema di drenaggio.

Serbatoi a tetto fisso

E’ costituito da lamiere d’acciaiosaldate in modo da formare unasuperficie impermeabile, posa su unafondazione progettata per evitaredeformazioni o danni alla strutturacausati da eventuali cedimenti delterreno.

E’ soggetto alla compressione dovutaal battente di liquido sovrastante.

La lamiera dove poggia il mantelloviene chiamata TRINCARINO, hauno spessore di circa 13 mm, sporgeverso l’esterno per circa 8 cm everso l’interno per 30 raccordandosicon le lamiere del fondo.

Serbatoi a tetto fisso – Fondo

Costituisce la strutturalaterale cilindrica delserbatoio ed è fatto inlamiere calandrate, saldatead anelli e posizionate unasull’altra con le giunzionisfalsate in modo daalternare i punti debolicostituiti dalle saldature.

Sull’ultimo anello è saldato un profilo angolare circolare con lo scopo di mantenere la forma circolare e sorreggere le lamiere del tetto.

Serbatoi a tetto fisso – Mantello

Se il serbatoio è molto alto sirealizzano spessori delmantello crescenti dallasommità al fondo, se ilserbatoio non è molto alto lospessore della lamiera èuniforme e pari al valoremassimo.

E’ costituito da lamiere diacciaio (spesse 4-8mm) saldatein modo da proteggere ilprodotto dagli agentiatmosferici.

Se D < 10/12 m

Il tetto viene sostenuto direttamente dal mantello

Se D > 10/12 m

In questo caso il carico deltetto è troppo alto per poteressere retto dal mantello percui si realizza un sostegno condei pilastri che poggiano sulfondo.

Serbatoi a tetto fisso –Tetto

Tutti i serbatoi sonocircondati da un bacino dicontenimento, questo puòessere in cemento armatoo terra e di dimensioni talida poter raccogliere tuttoo parte del prodottocontenuto nel serbatoio.Hanno altezze variabili esono dotati di scale diaccesso e passerelle.

Bacino di Contenimento

Categoria A: ogni serbatoio ha il suo bacino di contenimento con capacità circauguale a quella del serbatoio.Categoria B: un solo bacino può contenere più serbatoi.Categoria C: il bacino di contenimento varia in relazione al numero di serbatoi cheinsistono sullo stesso bacino e il volume tiene conto della capacità del serbatoio piùgrande. In caso di rottura del serbatoio il prodotto rimane in parte all’interno delserbatoio e parte nel bacino.

In un serbatoio chiuso è ilsistema di comunicazione versol’esterno e ha la funzione dievitare sovrapressioni odepressioni ed eccesive perditedi prodotto.

La pressione può variare a causadi escursioni termiche o durantele operazioni di ingresso o uscitadel prodotto.

In caso di sovrapressione si aprel’otturatore 2 e si chiude l’1. Incaso di depressione si invertonole operazioni diapertura/chiusura. Se il liquidoemette vapori infiammabilipossono essere convogliati intorcia.

Valvola di Traspirazione

Disco di scoppio

E’ un disco metallico posto nel condotto di sfiato del serbatoio cheimpedisce la fuoriuscita del prodotto, ma è predisposto a cedere perun valore prefissato della pressione. E’ un dispositivo di sicurezzamolto utilizzato nei casi in cui la pressione può salire moltovelocemente oppure nei casi in cui si teme il blocco della valvola disicurezza.Il disco può presentare una bombatura nel senso della pressione espessore di 0.05 mm, bombatura opposta, oppure dischi di spessoremaggiore ma con delle incisioni che ne riducono la resistenza.

Consiste in ungalleggiante che puòscorrere su una guida ecollegato ad uncursore che permettedi leggere il livello diprodotto su una scalagraduata posta sumantello.

Più il cursore siavvicina al tetto delserbatoio più il livellodel prodotto è basso.

Stadia Metrica

E’ un sistema che misura iltempo di percorrenza degliimpulsi di microonde dentro unserbatoio. Viene installato sullasommità del serbatoio etrasmette verso la superficie delprodotto degli impulsi dimicroonde, queste vengonoriflesse e captate dall’antenna eprocessate dallo strumento.

Il tempo che intercorre tratrasmissione e ricezione vieneconvertito in livello delprodotto all’interno delserbatoio.

Radar

Bocchello presa campione

E’ formata da un tubosaldato al tetto eprovvisto di uncoperchio che puòessere apertomanualmente o tramiteuna leva.

Bocchelli e passi d’uomo

I bocchelli alla base delserbatoio servono perprelevare o immettere ilprodotto e sono costituiti daun tubo flangiato saldato almantello del serbatoio.

I passi d’uomo sono dei grossibocchelli che permettonol’accesso al serbatoio durantele ispezioni o operazioni dimanutenzione.

Sistema antincendio

Assicura un interventoimmediato sia sul tetto chesul mantello. Sul tetto puòessere inviata della schiumamentre il mantello puòessere raffreddato con deglispruzzatori ad acqua.

Serpentini di riscaldamento, Agitatori e Jet-mixer

I serpentini di riscaldamento sonogeneralmente installati nei serbatoiche contengono liquidiparticolarmente viscosi . Possonoessere dei semplici tubi a serpentino oa fascio tubiero. Generalmente comemezzo riscaldante si utilizza vapore.Gli agitatori servono a mescolare eomogeneizzare il prodotto. Sonoformati da un motore elettrico sul cuialbero è montata un’elicaI jet mixer sono costituiti da unatubazione con sezione tronco conicache immette il prodotto in ingresso alserbatoio creando un vortice.

Serbatoi a tetto galleggiante

Sono utilizzati per liquidiappartenenti alla categoria A ein maniera minore per quelliB.

Differiscono rispetto a quelli atetto fisso perché il tetto ècostruito in modo tale chegalleggi sul liquido seguendo lesue variazioni di livello, inquesto modo si riduce lospazio sopra il liquido e leperdite per evaporazione(minore pericolo di incendio).

Accessori

Tenuta mantello – tetto

Supporti del tetto (piedi)

Sistema drenaggio acqua piovana e fondo

Bocchelli di campionamento e in/out prodotto

Indicatore livello e di temperatura

Agitatore

Scale/Bacino di contenimento

Sistema antincendio/Messa a terra

Tenuta Mantello –Tetto

E’ un elementoparticolarmente critico intermini di sicurezza.

Consiste in una guarnizionespeciale fissata per tutto ilperimetro del tetto e pressatacontro la parete cilindricainterna del serbatoio secondodiversi soluzioni.

Una molto diffusa èimmergere parzialmente iltetto nel liquido fino acontrastare il peso del tettocon la spinta di galleggiamento.

E’ necessario drenareperiodicamente le acque piovaneraccolte nel tetto è che entrano nelserbatoio attraverso le tenute.

Passi d’uomo, Supporti e Sfiati

Come nel caso precedente i passid’uomo consentono l’accesso alserbatoio durante le operazioni dimanutenzione, non prima di avereliminato ogni traccia di vaporidall’interno del serbatoio.I supporti o piedi sono dellecolonnine metalliche realizzate inmodo da sospendere il tetto dalfondo ad un’altezza di circa 1.80m quando il serbatoio è vuoto.Gli sfiati hanno il compito dieliminare il vapore accumulatoquando il serbatoio è vuoto, sononormalmente chiusi quando ilserbatoio è in esercizio.

Serbatoi con fondi bombati

Sono utilizzati per immagazzinare quantitàmodeste di liquidi oppure per lo stoccaggio diliquidi pressurizzati (o gas liquefatti). I serbatoiad asse verticale raramente superano il volumedi 100 m3 e il rapporto altezza diametro arrivafino a 4:1, infatti in questo tipo di serbatoi lasollecitazione indotta dalla pressione è moltomaggiore della pressione idrostatica per cui sicerca di limitare il valore del diametro.Lo spessore della parete cilindrica può esserecalcolato in prima approssimazione con la leggedi Mariotte:

s = P D / 2 σ

s = spessore della parete (m), P = Pressioneinterna (Pa), D = diametro (m), σ = resistenzadel materiale (Pa).

Serbatoi con fondi bombati

I serbatoi ad asse orizzontale hanno dimensioni maggiori di quelli ad asseverticale e possono contenere fino a 500 m3 raggiungendo dimensioni inrapporto 6:1. Sono utilizzati per lo stoccaggio di grandi quantitativi diliquidi e per questo sono spesso raggruppati in serie.

Serbatoi Sferici Vengono utilizzati perimmagazzinare quantitativi medi diliquidi a pressione molto elevata. Ingenerale si può dire che non èconveniente utilizzare le sfereperché a parità di ingombro ilvolume disponibile è modesto e icosti di realizzazione sonosicuramente più alti, tuttavia offronola minore superficie esterna equesto è un vantaggio in tutti queicasi in cui si vuole minimizzare loscambio di calore con l’esterno(Tebollizione<Tambiente).Un ulteriore vantaggio èrappresentato dalla miglioredistribuzione delle pressioni checonsente di dimezzare lo spessorerispetto al serbatoio cilindrico.

Stoccaggio di gas - Bombole

Dei codici di colore standardizzaticontrassegnano l’ogiva della bombolain modo da poter identificare a primavista il contenuto.

Serbatoi per Liquidi Criogenici

Prodotto T critica [°°°°C]

P critica [atm] Tebollizione [°°°°C]

Ossigeno -118.8 33.5 -183.0

Idrogeno -147.1 49.7 -195.8

Azoto -239.9 12.8 -252.7

Elio -267.9 2.26 -268.9

Metano -82.5 45.8 -161.4

Etilene +9.7 50.5 -103.9

In alcuni casi può risultare conveniente immagazzinare allo statoliquido prodotti che sarebbero gassosi a T e P ambiente. Laliquefazione è accompagnata da un notevole aumento della densità checonsente, a parità di volume, di stoccare maggiori quantità di prodotto.Per composti con temperatura critica inferiore a quella atmosferica laliquefazione avviene a bassa temperatura conservando i liquidi apressione atmosferica.

Serbatoi per Liquidi Criogenici

Vista la temperatura di stoccaggiomolto inferiore di quella esterna èinevitabile lo scambio termico conl’esterno che causa una continuaevaporazione del liquido, il gas vienesfiatato immediatamente per evitarel’aumento della pressione esterna. Laperdita per evaporazione è di circa il2-5% ogni 24 ore e viene limitataagendo sulla possibilità di scambiotermico. Una soluzione è realizzareserbatoi a doppia parete e creare ilvuoto nell’intercapedine oppureutilizzare materiali isolanti adatti allebasse temperature. Altre soluzionisono l’isolamento a strati multipli emediante polveri.

Stoccaggio di solidi

Limitando l’analisi ai soli prodotti sfusi, i metodi di stoccaggio più diffusisono:

• Stoccaggio in mucchio: utilizzato per grandi quantità di materialescarsamente deperibile immagazzinato all’aperto o in capannoni.

• Stoccaggio in sili: utilizzato per solidideperibili e realizzato in recipientimetallici a sezione circolare e ad asseverticale oppure in calcestruzzo a sezionepoligonale. Hanno un rapporto altezzadiametro compreso fra 1.5 e 4 e il fondoconico o piramidale per facilitare lafuoriuscita del solido.

Sicurezza nelle operazioni sui serbatoi -Cenni

Nelle operazioni di manutenzione e revisione periodica può essererichiesto di lavorare all’interno dei serbatoi, questo comporta deirischi che possono essere minimizzati seguendo delle indicazionigenerali:• Escludere il serbatoio dall’impianto: intercettare tutte le linee diingresso e uscita ed escludere tutti i servizi del serbatoio (elettricità,acqua, vapore, etc.)• Delimitare la zona di lavoro: in questo modo si evita l’accesso alpersonale non addetto.• Predisporre le strutture di appoggio: ponteggi, impalcature, argani,etc.• Svuotare il serbatoio: in questo modo si elimina la maggior parte delcontenuto, ma si deve porre attenzione che nel caso di serbatoiochiuso lo svuotamento può mandare in depressione il serbatoiocompromettendo la sua resistenza meccanica. Per evitare questo siimmette aria se il liquido non è infiammabile o gas inerti o vapord’acqua in caso contrario.

Sicurezza nelle operazioni sui serbatoi -Cenni

• Bonificare il serbatoio: consiste nell’eliminare i residui di sostanze(anche gassose) presenti nel serbatoio dopo lo svuotamento:o lavaggio: riempiendo con acqua (ed eventualmente detergenti) esvuotandolo più volte,o neutralizzazione: in alternativa al lavaggio per neutralizzare lecaratteristiche pericolose dei prodotti,o ventilazione: serve per eliminare i residui gassosi e consiste nell’inviarenella parte bassa del serbatoio un gas che trascina i residui presenti.L’operazione termina quando nella corrente uscente la concentrazionedi prodotto è inferiore a quella ammissibile.• Smaltire gli scarichi di bonifica• Bloccare le parti mobili• Mettere a terra il serbatoio• Effettuare i controlli ambientali nel serbatoio• Dotare gli operatori di attrezzature adeguate• Predisporre la sorveglianza esterna

Analisi di sicurezza

In relazione alle apparecchiature in pressione per sistemi di prevenzionesi intendono ad esempio i dispositivi di controllo e regolazione, allarme,blocco e le soluzioni progettuali finalizzate a prevenire il verificarsi diun’anomalia.

Per sistemi di protezione si intendono i dispositivi che intervengono unavolta che l’anomalia si è già verificata e che hanno la funzione di limitare leconseguenze e riportare i parametri di funzionamento nelle normalicondizioni di processo.

Analisi di sicurezza – Dispositivi di protezione

Le apparecchiature (serbatoi, reattori chimici, scambiatori di calore, etc.)all’interno delle quali possono avvenire trasformazioni chimiche o fisichetali da produrre esplosioni termiche o chimiche, con conseguenti rapidiaumenti della pressione, debbono essere munite di dispositivi di sicurezzain modo tale da garantire che la pressione e/o la temperatura non superiquella di progetto delle apparecchiature stesse o dell’impianto.

Per ogni anomalia che può causare una sovrapressione all’interno di una opiù apparecchiature viene calcolata la portata di fluido da scaricareattraverso i dispositivi di protezione (valvole di sicurezza, dischi di rottura,etc.) affinché non venga superata la pressione/temperatura di progettodell’apparecchiatura stessa.

Condizioni operative anomale

La portata da smaltire per la depressurizzazione del recipiente dipendedalla condizione anomala che causa l’aumento di pressione.

Se il recipiente è alimentato da una pompa, la portata massima da smaltireè pari a quella massima che la pompa può trattare, a valvola di aspirazioneaperta e con lo scarico bloccato.

In una colonna di distillazione una sovrappressione può essere derivata daun aumento del calore al ribollitore o da una riduzione del caloresmaltito al condensatore. La portata da smaltire viene valutata in base allapeggiore combinazione di eventi che si può effettivamente presentare.

In uno scambiatore a fascio tubiero ci possono essere dei problemi incaso di rottura di un tubo in cui passi del fluido ad alta pressione: inquesto caso il fluido finisce nel mantello e la portata da smaltire è circadoppia rispetto a quella che passa nel tubo.

Dimensionamento dei dispositivi

Il dimensionamento dei dispositivi di sicurezza è strettamente connessocon la disposizione impiantistica di cui l’apparecchiatura da proteggere faparte e con le cause che determinano l’intervento di questi dispositivi:

• anomalie di esercizio: ossia per errori di manovra, disservizi deicontrolli automatici o dei meccanismi di regolazione automaticacompresi i dispositivi di riduzione di pressione con o senza by-pass,apporto di calore da sorgenti esterne non dovuto ad incendio, etc.

• incendio esterno: di sostanze infiammabili, solide o liquide presenti nellocale dell’apparecchio o nelle immediate vicinanze e presenti in quantitàtali da poter alimentare un incendio.

Per il dimensionamento del dispositivo di sicurezza si assume comevalore di portata, il maggiore tra quello relativo al caso riconducibile adanomalie di esercizio dell’apparecchiatura e quello calcolato per incendioesterno alla stessa.

Valvole di sicurezza

La valvola di sicurezza è una valvola dotata di una molla(tipologia a) o un contrappeso (tipologia b), tarata peraprirsi ad un valore prestabilito di pressione interna. Ilgrado di apertura della valvola è proporzionale allapressione e può sfiatare direttamente in atmosferaoppure in un condotto di raccolta sfiati.La pressione di apertura della valvola di sicurezza vienefissata in base alle caratteristiche dell’apparecchiaturain cui è installata e in ogni caso non deve esseresuperiore alla pressione di progetto. La massimasovrappressione che si può generare mentre lavalvola sta sfogando è il 110% di quella di progetto.Nel dimensionamento della sezione dipassaggio bisogna tener conto della portata chesi vuole smaltire in caso di problemi operativi oin caso di incendio. E’ possibile prevedere duevalvole o una sola.

Valvole di sicurezza – Dimensionamento

Il dimensionamento di una valvola di sicurezza consistefondamentalmente nella definizione della sezione trasversale minima dientrata della valvola.

I metodi di calcolo utilizzabili sono diversi a seconda del fenomeno fisicoche genera la sovrappressione nell’apparecchiatura da proteggere.

Generalmente le valvole di sicurezza sono utilizzate per proteggereun’apparecchiatura da sovrappressioni originate da fenomeni non chimici(surriscaldamenti, occlusioni della linea di scarico, etc.), in questo caso perla non eccessiva rapidità del fenomeno è possibile determinare a priori laportata che deve essere scaricata.

Il successivo dimensionamento della sezione trasversale di ingressovalvola è relativamente semplice in quanto basato sull’applicazione delleequazioni che descrivono l’efflusso di un fluido da un recipiente. Nelseguito si farà riferimento alle equazioni indicate nella Normativa Italianasull’esercizio degli apparecchi in pressione (D.M. 21/05/74 – Raccolta E).

Dimensionamento – L’efflusso critico

Si consideri un grande recipientecontenente un fluido alla pressione p0

collegato con un condotto ad un altroambiente le cui condizionitermodinamiche possano esserecontrollate con precisione.

Se si riduce la pressione dell’ambiente ricevente l’incremento delladifferenza di pressione comporta un aumento della portata di liquido. Nelcaso di un fluido comprimibile come un gas o un vapore, al diminuire dellapressione a valle la portata aumenta fino ad un valore massimo per poirimanere costante indipendentemente da un’ulteriore diminuzione dellapressione.In questo caso si parla di flusso critico o choked flow. L’efflussocritico corrisponde al raggiungimento delle condizioni soniche in unpunto del condotto, il fluido si muove alla velocità del suono. Nel caso dirottura di un circuito in pressione si verifica la fuoriuscita del fluido,poiché la pressione a monte della rottura può essere dell’ordine delcentinaio di bar, mentre quella a valle prossima a quella ambientale,l’instaurarsi di condizioni di efflusso critico è inevitabile.

Dimensionamento

Salto critico: è la differenza fra la pressione di ingresso alla valvola e lapressione critica.

pc = p1

2

k +1

k

k −1

si ha salto critico se la contropressione p2 è minore del valore critico.Nel caso in cui il parametro k* non sia noto si pone:

pc=0.5p1

* k è l’esponente dell’equazione di espansione isoentropica, calcolato allapressione e alla temperatura del gas o vapore nell’apparecchiatura.

A ≥ q

0.9k( ) 394.9 ⋅C( )p1

z1T1

M

Dimensionamento – Flusso critico

A: area di scarico [cm2].

p1: pressione misurata in bar, corrispondente alla massima portatascaricata q [kg/h]. Può eccedere al più del 10% la pressione di progetto.

k: è il coefficiente di efflusso è determinato sperimentalmente ecertificato dal costruttore della valvola. Rappresenta il rapporto fraportata di fluido effettiva e portata teorica.

C: coefficiente di espansione.

T1: temperatura in ingresso alla valvola [K]

z1: fattore di comprimibilità del fluido a T1 e p1.

M: peso molecolare del fluido [kg/kmol].

Dimensionamento – Flusso subcritico

A ≥ q ⋅ Fs

0.9k( ) 394.9 ⋅ C( )p1

z1T1

M

La formulazione è la stessa, ma si utilizza un coefficiente di sicurezzaFs >1 fornito dal costruttore della valvola stessa.

La portata da scaricare q è la massima portata associata alle potenzialicause di sovrappressione nel serbatoio, identificate fra:

• anomalie di esercizio

• incendio esterno

Dimensionamento – Incendio esterno

Il recipiente soggetto a irraggiamento da incendio può contenere gas,liquido o liquido e vapore.La potenza termica si trasferisce attraverso la superficie bagnata efornisce il calore latente per l’evaporazione del liquido.

Per serbatoi contenenti liquidi in equilibrio con il loro vapore, soggetti airraggiamento termico da incendio si ha:

q =155000F ⋅ S0.82

λ

q: portata scaricata [kg/h].

F: fattore di protezione.

S: superficie esposta al fuoco [m2].

λ: calore latente del fluido [kJ/kg].

Incendio esterno – Fattore di protezione

Il fattore di protezione o di isolamento termico è funzione delcoefficiente di trasmissione U della coibentazione dato dal rapporto frala conducibilità termica del materiale e lo spessore di isolante:

• Serbatoi nudi e U > 22; F =1

• per 11 < U ≤ 2; F = 0.5

• per U ≤ 11; F = 0.3

In ogni caso l’isolante deve essere termicamente incombustibile.