• 052730 - SICUREZZA DEI PROCESSI DISCONTINUI

L'industria chimica (non solo italiana) di oggi vede, rispetto al passato, una presenza molto superiore di settori ad alta diversificazione produttiva, quali la chimica fine, delle specialties e farmaceutica. Nell'ambito di tali settori industriali gli impianti e i processi sono normalmente discontinui. Molte delle reazioni condotte presentano in aggiunta rilevanti problematiche di sicurezza, a causa della loro elevate velocità ed esotermia.

Dopo una iniziale sezione volta alla caratterizzazione macrocinetica di sistemi reagenti in generale non omogenei, nella prima parte l'insegnamento si propone di fornire agli studenti criteri utili alla scelta e al monitoraggio delle condizioni operative normali sicure e produttive del reattore dscontinuo in cui è condotta una reazione potenzialmente fuggitiva, anche in assenza di tutte le informazioni di dettaglio necessarie per affrontare il problema mediante approcci simulativi standard. Questo aspetto è di particolare importanza a causa dell'impossibilità di procedere alla caratterizzazione di dettaglio di ogni sistema reagente in un'industria tipicamente multipurpose e in evoluzione continua verso processi sempre nuovi.

Nella seconda parte dell'insegnamento viene infine affrontato il problema della protezione passiva del reattore contro sovrapressioni derivanti da condizioni incidentali, mediante criteri di calcolo ad hoc per le diverse tipologie di sistemi reagenti.

Da ultimo, l'obiettivo della parte finale dell'insegnamento è fornire agli studenti la capacità di effettuare l'analisi di un processo discontinuo reale, affrontato nei suoi dettagli di processo e di impianto. 

Lo studente:

- è in grado di comprendere l'influenza dei fenomeni di trasporto di materia sulla velocità di conversione in sistemi reagenti eterogenei, con particolare riferimento ai principali parametri di impianto coinvolti (miscelazione);

- conosce i criteri di funzionamento sicuro di un reattore discontinuo in cui è condotta una reazione potenzialmente fuggitiva;

- è in grado di scegliere, a partire dalla ricetta di laboratorio, le condizioni operative sicure del reattore e di effetuarne lo scale-up e il monitoraggio a livello del reattore inustriale;

- è in grado di scegliere e dimensionare correttamente il sistema di sfogo a protezione del reattore contro le sovrapressioni originate da reazioni fuggitive in esso condotte;

- è in grado di analizzare un sistema reagente discontinuo reale, acquisendo capacità critica nei confronti delle grandezze coinvolte e dei corretti ordini di grandezza attesi.

L'insegnamento di Sicurezza dei Processi Discontinui è suddiviso nei seguenti moduli, per i quali di seguito è ripotato il dettaglio degli argomenti:

1) (8 ore di lezione e 4 ore di esercitazione) Bilanci macroscopici di materia ed energia per sistemi reagenti discontinui e semicontinui (sistemi monofase; sistemi bifase liquido-liquido: definizione e trattazione dei regimi di “slow reaction”, “fast reaction”, "instantaneous reaction", correlazioni per la stima dei parametri chimico fisici e di trasporto; adimensionalizzazione delle equazioni di bilancio, definizione e significato fisico dei parametri del modello.

2) (8 ore di lezione e 2 ore di esercitazione) Metodi per l’identificazione e il monitoraggio delle condizioni operative sicure e produttive di sistemi reagenti semicontinui esotermici (il metodo dei “boundary diagrams”: definizione e impiego per sistemi reagenti omogenei, bifase liquido-liquido; il metodo dei “temperature diagrams”: definizione e impiego per sistemi reagenti omogenei, bifase liquido-liquido; metodi "kinetic free": criteri energetici e loro estensione come criterio di "early warning"). Instabilità termica di sostanze e miscele e relativi criteri di previsione. Identificazione e analisi delle reazioni di decomposizione (concetto di temperatura di decomposizione e sua natura sperimentale; analisi termica: TG, DTA, DSC; calorimetria adiabatica: ARC, Phi TEC II; calorimetria di reazione: RC1.

 3) (12 ore di lezione e 8 ore di esercitazione) Scelta e dimensionamento dei sistemi di sfogo delle sovrapressioni nei reattori chimici (descrizione e criteri di installazione di PSV e RD; sistemi “vapour”, “gassy” e ibridi; regimi fluidodinamici, scarico monofase e multifase; regimi di efflusso; criteri di dimensionamento e verifica di PSV e RD: metodi per il calcolo della portata di gas/vapori generata; metodo Omega per il calcolo della capacità di efflusso).

4) (4 ore di lezione e 2 ore di esercitazione) Analisi e ottimizzazione dei processi discontinui. Esame procedure operative industriali di processi a base solvente e a base acqua (attraverso esempi industriali reali): reazione, filtrazione, essiccamento. Apparati industriali e loro funzionamento: reattori agitati e procedure di inertizzazione; filtri piani in pressione per filtrazioni da solvente, filtri rotativi sotto vuoto e filtri a nastro per filtrazioni da acqua; essiccatori orizzontali sotto vuoto per essiccamenti da solvente, essiccatori a trasporto pneumatico e spray driers per essiccamenti da acqua; apparecchiature per il vuoto: pompe ad anello liquido ed eiettori e relative problematiche operative. Ruolo della ricerca e sviluppo ai fini dell'ottimizzazione di processo: esempi industriali di ottimizzazione di processo in termini di riduzione consumi materie prime, riduzione consumi energetici, riduzione del carico inquinante in termini di reflui ed emissioni.

Il mix didattico si compone di lezioni ed esercitazioni frontali tenute dal docente incaricato, nell'ambito delle quali gli argomenti trattati verranno consolidati mediante l'illustrazione e la soluzione di casi industriali reali.

Sono necessarie conoscenze di base di termodinamica e cinetica chimica e di fenomeni di trasporto di materia in presenza di reazioni chimiche.

Tali argomenti sono parte dei programmi degli insegnamenti di Termodinamica dell'Ingegneria Chimica e di Principi di Ingegneria Chimica.

L'esame consiste nella presentazione di un progetto mutuato da un caso industriale reale, volto alla scelta e dimensionamento del sistema di sfogo delle sovrapressioni contro reazioni fuggitive.

Prendendo spunto dalla presentazione e discussione (in modo critico) delle scelte di processo e di impianto effettuate, verrà approfondita la corretta comprensione degli argomenti presentati nelle lezioni con particolare riferimento al significato fisico dei metodi e degli strumenti e della loro implicazione industriale.