Laboratorio di Impianti Chimici - Corso di Laurea Magistrale in

Università degli Studi di Torino
Corso di Studi in Chimica Industriale
Laboratorio di Impianti Chimici
Docente: Guido Sassi
1. Simulazione di Processi e Apparecchiature Chimiche in ambiente
ASPENPLUS
A
Scambio Termico
B
Separazione
Approfondimenti
Dispense curate da:
Davide Fissore
Sabrina Ghio
Guido Sassi
Salvatore Velardi
Esercizi sulla modellazione di apparecchiature in ASPEN
A. Scambiatori di calore
Esercizio 1
Una portata di 550 kg/min viene pompata in un bollitore a 70°C e 10 bar; si desidera
produrre vapore a 10 bar e 300°C. Calcolare il carico termico in kJ/min.
Esercizio 2
Una corrente di vapore saturo di benzene entra in uno scambiatore di calore a 50°C;
nello scambiatore il benzene viene riscaldato con una portata di calore pari a 30 kJ per
mole di benzene entrante. Determinare la temperatura di uscita del benzene.
Esercizio 3
Una portata di metano di 32000 lb/h vengono riscaldate da 300°F a 600°F in uno
scambiatore di calore. Assumendo che l’operazione abbia luogo in condizioni di
pressione costante (e pari a 100 psia) e che il metano sia un gas ideale, calcolare la
portata termica che è necessario trasferire al gas.
Esercizio 4
Una portata di 1000 lb/h di ammoniaca surriscaldata a 247 psia e 140 °F viene fatta
condensare a pressione costante. Quale portata termica deve essere allontanata in
condizioni stazionarie?
Esempio 5
1000 lbmol/h di metano vengono raffreddate da 2000°F a 400°F (a 100 psi) in uno
scambiatore di calore in controcorrente in cui l’acqua è il mezzo refrigerante; l’acqua è
riscaldata da 60°F a 120°F (a 2 bar). Quale è la portata di acqua che è necessario
impiegare?
37
B. Separatori
Esercizio 6
Sia data una corrente a 1300 °F e 550 psi costituita da:
idrogeno = 0.13 kmol/s metano = 0.32 kmol/s toluene = 0.019 kmol/s benzene = 0.036 kmol/s difenile = 0.000331 kmol/s che costituisce l’alimentazione di un flash per separare idrogeno e metano; il flash abbia luogo a 100 °F e 465 psi. Dal momento che sussistono problemi di coking, si desidera raffreddare rapidamente la corrente a 1150 °F, prima di alimentarla al flash; a questo scopo si opera un quench con una parte del liquido uscente dal barilotto di separazione. Il processo in esame può essere così schematizzato: 100
465
43859
2
260
550
1300
932723
550
6
B1
79442
1
B2
100
100
465
3
100
465
888864
35555
465
853281
B3
4
5
Determinare come varia la temperatura in uscita dal quench (o ciò che è lo stesso in
ingresso al flash) al variare della frazione del liquido proveniente dal barilotto di
separazione che viene utilizzata per raffreddare l’alimentazione. Calcolare quale deve
essere questa portata affinché la temperatura scenda a 1150 °F.
38
Esercizio 7
Si consideri una colonna di distillazione alla quale viene alimentata una portata di 144
kmol/h (a 38 °C e 5 atm) avente la seguente composizione:
xtoluene xbenzene xdifenile xidrogeno xmetano = 0.284 = 0.700 = 0.009 = 0.001 = 0.006 Compito della colonna è separare in testa gli in condensabili (idrogeno e metano) e dare un prodotto di coda con solamente gli aromatici (benzene, toluene, difenile). Mediante metodi short cut sono state calcolate le seguenti proprietà della colonna: Numero stadi di equilibrio Pressione Portata di distillato = 30 = 5 atm = 50 kmol/h =(xmetano+xidrogeno)*F Si alimenti la colonna sul primo piatto; si trascurino le perdite di carico nella colonna. Il condensatore, funzionante in controcorrente e con un’area di scambio di 10 m2, impieghi una portata di acqua a 15°C e 1 atm di 10 kg/h. 3
Si calcoli la portata di
benzene che viene persa
nel prodotto di testa in
funzione della portata di
acqua
impiegata
nel
condensatore; si valuti la
portata di acqua cui
corrisponde una perdita di
benzene pari al 3 %
(ovvero 8.4E-4 kmol/s di
benzene).
7
D101
E101
1
C101
2
8
5
6
9
39
Esercizio 8
Una portata gassosa avente le proprietà seguenti è stata prodotta in un impianto di
steam-reforming del metano e verrà usata per la produzione di ammoniaca:
Temperatura
Pressione
Portata
Composizione
N2
Ar
CO
CO2
H2
H2O
237 °C
27.6 atm
10841.76 kmol/h
1342.21 kmol/h
17.35 kmol/h
36.86 kmol/h
1187.17 kmol/h
4136.13 kmol/h
4122.04 kmol/h
Essendo la CO2 un veleno per il catalizzatore impiegato nella sintesi dell’ammoniaca,
essa deve essere rimossa, mediante assorbimento in una soluzione di
monoetanolammina (MEA). Le proprietà della corrente di MEA sono:
Temperatura
Pressione
Portata
Composizione
CO2
H2O
MEA
109°C
3. atm
9.3E5 kg/h
0.018
0.851
0.131
Le condizioni operative dell’assorbitore sono:
Temperatura di alimentazione
Pressione
Numero di stadi di equilibrio
Caduta di pressione
Efficienza di Murphree (CO2)
40°C
27.2 atm
6
0.2 atm
0.7 per stadio di equilibrio
Determinare le apparecchiature necessarie per portare l’alimentazione gassosa e la
soluzione di MEA in ingresso all’assorbitore nelle condizioni indicate. Si preveda una
separazione dell’acqua dall’alimentazione in un knock out drum (∆p = 0.02 atm) prima
che il gas sia introdotto nell’assorbitore. Si assuma una perdita di carico negli
scambiatori pari a 0.3 atm. Determinare la concentrazione di CO2 nel flusso vapore
uscente dall’assorbitore. Si studi come varia la concentrazione della CO2 in uscita
dall’assorbitore in funzione della portata di soluzione di MEA impiegata.
40
328
2766173
648
382
2796570
131723
11000000
11000000
192
TOP
313
PUMP
2766173
2
11000000
MEA
EXC2
7
313
2764146
26
510
313
2796570
2766173
48
48
11
ASS
494
2771239
FEED
4
10999835
313
SEP
2764146
EXC1
BOTTOM
22
12
Esercizio 9
L’acetone è un solvente ampiamente impiegato nell’industria chimica di processo;
l’estrazione liquido-liquido è generalmente considerata uno dei metodi più efficienti per
recuperarlo da soluzioni diluite; differenti solventi organici come Toluene, Metilisobutil-chetone (MIBK) e tricloroetano (TCE) possono essere impiegati a questo
proposito. Sebbene la scelta del solvente più appropriato dipenda da un ampio range di
parametri (tossicità, costo, facilità di miscelazione e di separazione...), l’affinità tra
solvente e soluto è senza dubbio il parametro fondamentale a causa della sua influenza
sul numero di stadi che sono necessari per conseguire un certo grado di separazione.
Si consideri un’alimentazione avente le seguenti caratteristiche:
Temperatura
Pressione
Portata
Composizione
Acetone
Acqua
25°C
1 atm
1000 kg/h
4% in massa
96% in massa
ed una portata di solvente a:
Temperatura
25°C
Pressione
1 atm
Portata
25 kg/h (di MIBK, TCE e Toluene nei diversi casi)
Si consideri l’estrattore liquido-liquido operante in controcorrente, costituito da 20 stadi
di equilibrio ed operante a 1 atm e 298 K. Confrontare le prestazioni dell’estrattore con i
diversi solventi.
41
C. Reattori chimici
Esercizio 10
L’acetonitrile viene
dell’ossigeno:
prodotto
per
reazione
del
propilene,
dell’ammoniaca
e
C3H6 + NH3 + (3/2)O2 = C3H3N + 3H2O
Si consideri un’alimentazione costituita dal 10% molare di propilene, 12% di
ammoniaca ed il resto da aria. Si ottiene in un reattore una conversione pari al 30% del
reagente limitante. Determinare quale è il reagente limitante e le portate molari di tutti i
prodotti.
Esercizio 11
La combustione del metano porta a CO2 ed H2O. Sia data un’alimentazione contenente
20% molare di CH4, 60% di O2 e 20% di CO2 ed una conversione del 90% del reagente
limitante; determinare la composizione molare del prodotto di reazione.
Esercizio 12
L’ammoniaca viene ossidata con aria a formare monossido di azoto nella prima fase
della produzione dell’acido nitrico; due reazioni principali hanno luogo:
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O
2NH3 + (3/2)O2 = N2 + 3H2O
L’alimentazione ha un rapporto molare aria/ammoniaca pari a 9; l’ammoniaca è
alimentata alla fornace a 25 °C. Tutta l’ammoniaca alimentata reagisce, e la resa
percentuale di NO è del 90%. I prodotti di reazione escono a 700°C. La pressione è
costante e pari a 8 bar.
Il calore di reazione viene trasferito ad una corrente acquosa a 40°C per produrre
vapore a 20 bar. Calcolare come varia la temperatura alla quale viene prodotto il vapore
ed il grado di saturazione in funzione della portata di acqua al bollitore.
42
Esercizi riassuntivi e di approfondimento Esercizio 1 Sia data una colonna di distillazione alla quale viene alimentata una miscela satura costituita da acqua ed alcol etilico (40% molare) alla pressione di 1 atmosfera e con una portata di 100 kmol/s; si abbiano le seguenti caratteristiche della colonna: N (numero di stadi di equilibrio) = 25 = 45 kmol/s Portata di distillato Piatto su cui si alimenta = 20 Condensatore totale Bollitore Kettle si trascurino le perdite di carico nella colonna. 1) Determinare come varia la purezza del distillato (frazione molare di etanolo nel prodotto di testa, xD ) in funzione del rapporto di riflusso. 2) Individuare il rapporto di riflusso minimo in corrispondenza della quale xD = 0.8. 3) Si assuma R = 2 e si determinimo purezza del distillato, calore da fornire al ribollitore (QB) e da sottrarre al condensatore (QC). Diagrammare i valori delle portate di benzene ed acqua, liquide e vapore, in funzione del numero dei piatti. 4) Diagrammare come variano xD, QB e QC in funzione del piatto su cui viene introdotta l’alimentazione. 5) Diagrammare come variano xD, QB e QC in funzione del numero di stadi di equilibrio della colonna. 6) Considerando la colonna costituita da 25 stadi di equilibrio, determinare il piatto in cui si dovrebbe introdurre l’alimentazione in modo da avere in recupero del 90 % dell’etanolo alimentato. 7) Con riferimento alla configurazione iniziale, determinare il numero di piatti della colonna che consente un recupero di etanolo pari al 90 % dell’etanolo alimentato. 43
Esercizio 2 Sia data una corrente di 0.68 lbmol/h di C3H6 a 200 °C e 2 atm che viene fatta reagire con una corrente di 0.17 lbmol/h di Cl2 nelle medesime condizioni di T e P. I reagenti vengono alimentati ad un reattore avente le seguenti caratteristiche: ‐ Lunghezza = 25 ft ‐ Diametro = 0.167 ft ‐ Raffreddamento con un refrigerante a 200 °C ( U = 5 Btu/h sqft R) ‐ Pressione = 2 atm ‐ Flusso a pistone Nel reattore abbiano luogo le seguenti reazioni (in fase vapore): 1) Cl2 + C3H6 = C3H5Cl + HCl 2) Cl2 + C3H6 = C3H6Cl2 Con i seguenti parametri cinetici E(1) = 27200 Btu/lbmol K(1) = 1.4E6 E(2) = 6860 Btu/lbmol K(2) = 80 1) Determinare la massima temperatura nel reattore, la conversione del C3H6 e la selettività verso i due prodotti. 2) Valutare come varia la massima temperatura nel reattore al variare della temperatura del refrigerante. 3) Diagrammare i profili di temperatura nel reattore al variare del coefficiente di scambio U. 44
Esercizio 3 Sia dato un impianto per la produzione di cicloesano per idrogenazione del benzene; la
reazione che ha luogo è la seguente:
C6H6 + 3H2 = C6H12
Come materia prima si impiega una corrente gassosa di 310 lbmol/h a 120°F e 330 psi
avente la seguente composizione percentuale: 97.5% H2, 2% CH4 e 0.5% N2 ed una
corrente di 100 lbmol/h di benzene a 100°F e 15 psi. Si preveda una pompa per portare
la corrente di benzene alla pressione di 330 psi.
Uno scambiatore di calore porta la temperatura della miscela reagente in ingresso al
reattore a 300°F. La reazione ha luogo a 400°F, con una conversione di benzene pari al
99.8%; la pressione in ingresso al reattore è pari a 330 psi e la caduta di pressione nel
reattore è pari a 15 psi.
Il flusso uscente dal reattore è inviato in un separatore alla temperatura di 120°F; la
caduta di pressione è pari a 5 psi. La corrente vapore è in parte ricircolata in ingresso al
reattore, per non avere perdita di H2, ed in parte spurgata, per evitare l’accumulo degli
incondensabili (N2 e CH4) nel ricircolo. Si preveda un compressore sul ricircolo per
riportare i vapori alla corretta pressione di ingresso al reattore.
Il liquido uscente dal flash viene in parte ricircolato in ingresso al reattore, per
recuperare i reagenti che non hanno reagito, ed in parte inviato ad una colonna di
distillazione per separare il cicloesano dagli altri componenti. La colonna abbia le
seguenti caratteristiche:
- condensatore totale
- ribollitore kettle
- 15 stadi di equilibrio
- rapporto di riflusso = 1.2
- pressione in testa = 200 psi
- pressione in coda = 250 psi
- portata del prodotto (che viene recuperato in coda) = 100 lbmol/h
- alimentazione nello stadio 8.
45
COMPRESS
RIC-GAS
SPLIT-G
PURGE
S6
VAPOUR
HYDROGEN
MIXER1
S1
REACTANT
PRODUCT
RISC
FLASH
REACTOR
S3
BENZENE
LIQUID
PUMP
SPLIT-L
17
RIC-LIQ
• Nell’ipotesi che la frazione di liquido uscente dal flash che viene ricircolata sia il 30%
e che l’8% del vapore uscente dal flash venga spurgato calcolare:
1) la purezza del cicloesano che si ottiene
2) i calori da fornire al bollitore e da sottrarre al condensatore nel distillatore
3) la potenza assorbita dal compressore e dalla pompa nel loop di ricircolo.
• Si determini inoltre come variano la portata di incondensabili in ingresso al reattore e
la portata di cicloesano persa con lo spurgo in funzione della frazione di vapori che
viene spurgata.
• Si calcoli quale deve essere la portata di gas da alimentare al processo affinché in
ingresso al reattore si abbia un rapporto H2/benzene = 3.3 (nell’ipotesi di una
frazione spurgata dell’8%).
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