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 B Scambio Termico 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 metano toluene benzene difenile = 0.13 kmol/s = 0.32 kmol/s = 0.019 kmol/s = 0.036 kmol/s = 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 6 1300 550 79442 B2 550 932723 1 B1 100 465 100 100 465 3 888864 465 35555 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 = 0.284 xbenzene = 0.700 xdifenile = 0.009 xidrogeno = 0.001 xmetano = 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 = 30 Pressione = 5 atm Portata di distillato = 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 m 2, 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). 5 C101 7 E101 1 2 8 6 D101 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 237 C Pressione 27.6 atm Portata 10841.76 kmol/h Composizione N 2 1342.21 kmol/h Ar 17.35 kmol/h CO 36.86 kmol/h CO 2 1187.17 kmol/h H 2 4136.13 kmol/h H 2 O 4122.04 kmol/h Essendo la CO 2 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 109 C Pressione 3. atm Portata 9.3E5 kg/h Composizione CO 2 0.018 H 2 O 0.851 MEA 0.131 Le condizioni operative dell assorbitore sono: Temperatura di alimentazione 40 C Pressione 27.2 atm Numero di stadi di equilibrio 6 Caduta di pressione 0.2 atm Efficienza di Murphree (CO 2 ) 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 CO 2 nel flusso vapore uscente dall assorbitore. Si studi come varia la concentrazione della CO 2 in uscita dall assorbitore in funzione della portata di soluzione di MEA impiegata. 40
328 382 648 2796570 2766173 192 131723 11000000 PUMP 11000000 2 313 2766173 TOP MEA 11000000 EXC2 7 313 2764146 26 510 313 11 2796570 2766173 48 48 ASS 494 2771239 FEED 4 313 10999835 EXC1 SEP 2764146 22 BOTTOM 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 25 C Pressione 1 atm Portata 1000 kg/h Composizione Acetone 4% in massa Acqua 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 prodotto per reazione del propilene, dell ammoniaca e dell ossigeno: C 3 H 6 + NH 3 + (3/2)O 2 = C 3 H 3 N + 3H 2 O 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 CO 2 ed H 2 O. Sia data un alimentazione contenente 20% molare di CH 4, 60% di O 2 e 20% di CO 2 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: 4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O 2NH 3 + (3/2)O 2 = N 2 + 3H 2 O 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 Portata di distillato = 45 kmol/s 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: C 6 H 6 + 3H 2 = C 6 H 12 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% H 2, 2% CH 4 e 0.5% N 2 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 H 2, ed in parte spurgata, per evitare l accumulo degli incondensabili (N 2 e CH 4 ) 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 S6 SPLIT-G PURGE VAPOUR HYDROGEN MIXER1 S1 REACTANT RISC PRODUCT FLASH BENZENE S3 REACTOR PUMP LIQUID 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 H 2 /benzene = 3.3 (nell ipotesi di una frazione spurgata dell 8%). 46