Le operazioni unitarie di un processo chimico

Sto studiando per l'esame di stato per l'abilitazione alla professione di ingegnere. Oggi ho fatto un tema di esame (eh si, anche dopo la laurea si contua a fare i temi) e poichè sono abbastanza soddisfatto del mio lavoro ho deciso di pubblicarlo (che megalomane che sono).
In ingegneria chimica tutte le conoscenze hanno come scopo principale il saper agire, intervenire e/o progettare un processo chimico. Il tema richiedeva di descrivere gli aspetti fondamentali delle operazioni unitarie di un tipico processo dell'industria chimica.

Spero sia comprensibile a tutti.

Un processo è generalmente definibile come un metodo da seguire per ottenere un determinato obiettivo. Nel processo chimico l'obiettivo è la trasformazione di una materia prima di un determinato valore in un prodotto di valore superiore.

Ogni processo chimico è costituito da una sequenza logica di operazioni unitarie che, nel loro insieme, realizzano la trasformazione desiderata. Ogni logica di processo determina la scelta e la collocazione delle varie unità atte a raggiungere gli scopi prefissati.

Le principali unità tipiche di un processo chimico sono il reattore chimico, le unità di separazione e gli scambiatori di calore.

Il reattore chimico può essere immaginato come un contenitore con caratteristiche specifiche in cui viene sfruttata una reazione chimica per ottenere del valore aggiunto. É l'unità principale di un processo chimico, il punto da cui parte la progettazione. Il tipo di reattore è principalmente individuabile dalle sue dimensioni e dalle sue condizioni di funzionamento. Le sue caratteristiche solitamente variano con le coordinate spaziali e temporali, per questo motivo ogni reattore viene assimilato ad un reattore ideale con la sua relativa equazione differenziale che ne descrive il comportamento, notoriamente chiamata equazione di progetto.

Dei reattori in cui possono avvenire reazioni omogenee generalmente è possibile fare una classificazione; questi possono essere suddivisi in: reattore discontinuo, il reattore continuo in regime stazionario e il reattore continuo in regime variabile o semi-continuo. Il primo, semplice da progettare e con poche utility richieste, viene usato spesso per piccole produzioni o per studi di laboratorio. Il reattore continuo in regime stazionario è ideale per le produzioni su scala industriale e, pur richiedendo numerose utility, permette un ottimo controllo delle prestazioni. Il reattore semi-continuo solitamente è un apparecchiatura molto versatile che però richiede uno studio più complesso in quanto le relazioni sono più numerose. Il funzionamento di un reattore chimico continuo può essere semplificato come segue: dei reagenti reagiscono in un contenitore che ospita la reazione chimica, una parte di loro reagisce e diventa prodotti. Il contenitore che ospita la reazione deve avere necessariamente un ingresso ed un uscita. Il tipo di ingresso/uscita del reattore varia a seconda del tipo di materiale disponibile, dalla loro purezza e dagli eventuali problemi legati allo stoccaggio. La qualità e la portata delle correnti dipendono dai ricicli, dagli spurghi e dalle unità di separazione.

Quest'ultime sono le apparecchiature più importanti, seconde solo ai reattori, che servono a portare le correnti alle composizioni desiderate.

Le principali operazioni di separazione sono la separazione flash, la distillazione, l'assorbimento e l'estrazione. La separazione flash è la più semplice tra tutte in quanto consiste nella creazione di uno stato di equilibrio liquido/vapore mediante la variazione di pressione o temperatura e il prelevamento delle due fasi che si creano. Inequivocabilmente la fase vapore sarà sempre più ricca dei componenti più volatili e la fase liquida dei componenti meno volatili.

La distillazione, proprio come il flash, sfrutta per la separazione la differenza di volatilità dei componenti della miscela da trattare con la sola differenza che ha più stadi di equilibrio per singola unità. Con una colonna di distillazione si può ottenere un distillato (la corrente di testa) di purezza superiore a quella ottenibile da una semplice separazione flash che comprende un unico stadio di equilibrio.

L'assorbimento è quella separazione che sfrutta la solubilità tra le fasi, in particolare la solubilità di un gas in un liquido. In pratica, se si vuole recuperare un composto da una miscela di gas, si sceglie un liquido che lo solubilizzi con efficacia e che sia selettivo, ossia che non solubilizzi anche i gas non desiderati, e si manda in controcorrente con la corrente di gas da trattare. Ci sarebbero altre specifiche per la scelta del liquido solvente ma risulterebbe inadeguato trattarli in questa sede. Le colonne di assorbimento possono essere a stadi o a riempimento e la scelta va fatta a seconda delle proprietà fisico-chimiche della corrente di gas, di liquido e dell'eventuale riempimento.

L'estrazione, infine, sfrutta invece la miscibilità, in particolare la ripartizione di un soluto tra due fasi immiscibili (solvente e inerte). Le due fasi immiscibili possono essere entrambe liquide oppure una delle due solida. Un estrazione è fisicamente una successione di stadi di equilibrio configurate a seconda delle necessità. Di solito lo scopo di questa operazione unitaria è quello di trasferire il soluto in un'altra fase più facilmente separabile mediante una distillazione. Per questo motivo essa trova applicazione in tutti quei casi in cui le miscele sono poco convenienti da separare con gli altri metodi a causa di svantaggi tecnici o economici. Mentre le unità di separazione portano le correnti alla qualità desiderata, per fissare temperature e pressione sono necessarie le utility.

Le utility sono tutte quelle unità che da sole non sono in grado di costituire un processo chimico, non cambiano la composizione delle correnti ma servono per portare le variabili termodinamiche di temperatura e pressione ai valori desiderati. Per fissare la pressione esistono le valvole, i compressori e le turbine che per necessità di tempo non potranno essere trattate. Per fissare la temperatura invece esistono gli scambiatori di calore.

Queste sono apparecchiature nelle quali si ha un trasferimento di energia termica, generalmente da un fluido ad un altro. I due fluidi, banalmente, vengono denominati fluido freddo e fluido caldo. Uno scambiatore di calore, a seconda dello scopo, può essere chiamato condensatore, riscaldatore, evaporatore o refrigeratore. Esistono numerose tipologie di scambiatori, la più semplice ed emblematica è costituita da un tubo dove all'interno scorre una corrente e all'esterno ne scorre un'altra. Solitamente si tende ad utilizzare gli scambiatori a tubo e mantello (shell) costituiti da un tubo coassiale ad un altro tubo, che appunto costituisce il mantello. I tubo interno può variare come forma o come numero, da qui la forma a serpentino, il doppio tubo o il fascio tubiero. Il mantello solitamente varia nella forma in funzione della necessità. Ciò che unisce i tubi concentrici sono le testate che variano a seconda del tipo di flusso, lo scopo e le condizioni operative.

A conclusione, si desume che un processo chimico, per essere considerato tale, deve avere almeno una reazione o una separazione. Tutte le operazioni unitarie in fase di progettazione andranno trattate seguendo le metodologie più moderne non tenendo conto soltanto le unità in se ma correggendo, possibilmente in modo iterativo, il progetto del processo con considerazioni globali riguardanti l'integrazione tra le unità, il controllo facilitato delle variabili critiche e la scelta dei siti delle apparecchiature.

Più il processo sarà semplice, più sarà facile effettuare interventi.

Più il processo sarà robusto, meno rischi ci saranno per l'impianto.