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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: [email protected]

PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI

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Testi di riferimento


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


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


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Overview


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Schemi di Processo


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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


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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


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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


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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


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Il Block Flow Process Diagram


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Il Block Flow Plant Diagram


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Il Block Flow Plant Diagram

Convenzioni e format per il disegno di un BFD


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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


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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


contenuti

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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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Simboli per il disegno dei Process Flow Diagram

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Convenzioni utilizzate per identificare le apparecchiature di processo

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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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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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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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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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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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Informazioni nella tabella riassuntiva relativa alle correnti

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Tabella riassuntiva relativa alle correnti: processo HDA toluene

alim toluene alim idrogeno alim Rx #1 alim Rx #2

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output Rx prod benzene prod fuel gas

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Verifica del bilancio di materia del processo

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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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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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Loop di controllo fondamentali

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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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Descrizione delle apparecchiature per PFD e P&ID

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Descrizione delle apparecchiature per il processo HDA del toluene

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Descrizione delle apparecchiature per il processo HDA del toluene

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Specifiche delle apparecchiature


Esempio di specifica diprocesso per colonne

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Specifiche delle apparecchiature

Esempio di disegno dicolonna


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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


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Informazioni escluse dal P&ID


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Convenzioni per l’elaborazione del P&ID

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Convenzioni per l’identificazione della strumentazione nel P&ID

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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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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


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Differenti tipologie di layout in pianta

Disposizione con montaggio Disposizione con montaggio

a terra in struttura verticale

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Distanze minime consigliate (ft) tra apparecchiature di processo per raffinerie e impianti chimici e petrolchimici

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Effetto del posizionamento delle apparecchiature sulla facilità di accesso per manutenzione

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Esempi di plot plans e schemi in elevazione

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Motivazioni per cui è richiesta l’elevazione delle apparecchiature

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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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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


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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


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