UTILITIESIl funzionamento di un impianto dellindustria di
processo richiede la disponibilit di energia e di una serie di
fluidi ausiliari per la realizzazione delle varie lavorazioni del
processo, per il controllo del processo stesso e per la
manutenzione. Accanto alle unit produttive vi sono quindi anche
quelle destinate alla produzione, trattamento ed erogazione dei
fluidi ausiliari, che vanno collettivamente sotto il nome di
utilities. Le utilities solitamente presenti in un impianto
dellindustria di processo comprendono: acqua di raffreddamento
vapor dacqua (ed eventuale produzione di energia elettrica) fluidi
termici aria compressa inerti
ACQUA DI RAFFREDDAMENTOLacqua costituisce il mezzo refrigerante
maggiormente impiegato: per potere essere utilizzata a questo scopo
si richiede semplicemente che sia limpida e che non sia troppo
dura, ossia che non dia luogo a depositi ed incrostazioni lungo il
circuito. In alcuni casi limpianto sorge in prossimit di zone dove
presente e abbondante acqua di buone caratteristiche o superficiale
(fiumi o laghi) o in faglie poco profonde e facilmente accessibili
[10]. In questo caso la refrigerazione dellimpianto opera in ciclo
aperto (figura 147a): lacqua subisce un trattamento preliminare di
chiarificazione e ossidazione e viene pompata nel sistema di
refrigerazione da cui, dopo avere raffreddato le utenze, viene
scaricata nellambiente esterno. (a)
(b)
Figura 147 [10] Molto pi spesso la disponibilit di acqua
limitata, ovvero le sue caratteristiche richiedono trattamenti
preliminari di depurazione e dolcificazione pi complessi e costosi.
In questo caso la refrigerazione dellimpianto opera in ciclo chiuso
(figura 147b), rimettendo in ciclo lacqua che proviene dalle
apparecchiature di scambio termico dopo averla raffreddata,
reintegrando i quantitativi andati persi. Tale acqua operante in
ciclo chiuso viene usualmente detta acqua industriale: i
quantitativi in circolazione sono solitamente ingenti ed il
raffreddamento viene ottenuto in modo economico nelle torri di
raffreddamento, per contatto diretta con aria atmosferica, 224
attraverso unoperazione di umidificazione che stata esaminata in
uno dei precedenti capitoli. Nelle torri di raffreddamento la
minima temperatura a cui possibile raffreddare lacqua superiore di
qualche grado alla temperatura di saturazione (ovvero alla
temperatura di bulbo umido) dellaria ambiente, il cui valore varia
nel corso dellanno e della giornata. In pratica, ai nostri climi la
minima temperatura ottenibile per lacqua si aggira tra i 20 ed i
30C, mentre lacqua in arrivo alla torre di raffreddamento si trova
ad una temperatura intorno ai 40C. Tale valore non viene di norma
superato per limitare la deposizione del calcare nelle
apparecchiature di scambio termico. Nelle torri di raffreddamento i
consumi energetici sono limitati a quelli delle pompe di
circolazione dellacqua e dei ventilatori dellaria, ma il
raffreddamento viene ottenuto a spese dellevaporazione del 35%
dellacqua alimentata.
VAPOR DACQUA ED ENERGIA ELETTRICANegli impianti dellindustria di
processo il vapor dacqua viene impiegato principalmente come mezzo
riscaldante e come fonte di energia in macchine come le turbine
(che a loro volta possono azionare compressori), eiettori, ecc.
[10]. Il suo impiego come fluido riscaldante dovuto al basso costo,
lelevatissimo coefficiente di scambio termico per condensazione e
lalto valore del calore latente di condensazione: di fatto esso il
mezzo riscaldante maggiormente utilizzato per temperature fino a
200C circa. Al di sopra di questa temperatura, lelevata pressione
di saturazione del vapor dacqua ne rende eccessivamente oneroso
luso e si ricorre ad altri fluidi riscaldanti.
Figura 148 [10] La figura 148 mostra un tipico schema di
produzione di vapor dacqua in un impianto dellindustria di
processo. Lacqua, preventivamente trattata e additivata, viene
alimentata al generatore di vapore, dove vaporizza ricevendo calore
dalla combustione di un combustibile. In generale, il costo di
produzione del vapore decresce allaumentare della pressione di
esercizio del generatore e, per tale ragione, esso viene
normalmente prodotto ad una pressione alta, maggiore di quella a
cui verr utilizzato 225
come fluido riscaldante nellimpianto. Il vapore prodotto nel
generatore viene quindi espanso alla pressione di utilizzazione in
una turbina accoppiata ad un alternatore, andando cos a produrre
energia elettrica per limpianto. Un impianto dellindustria di
processo utilizza normalmente tre reti distinte di distribuzione
del vapore, che lavorano a pressione diversa e presentano, di
conseguenza, diversi valori della temperatura di condensazione del
vapore saturo: alta pressione: 20-60 atm; temperatura di
condensazione 210-275C media pressione: 10 -16 atm; temperatura di
condensazione 180-200C bassa pressione: 4 - 7 atm; temperatura di
condensazione 150-165C Il vapore destinato ad ognuna di queste reti
viene prelevato mediante spillamenti ossia prelievi di vapore
intermedi (reti ad alta e media pressione) e dallestrazione finale
(rete a bassa pressione) dalla turbina a contropressione collegata
allalternatore (vedi figura 148). Un aspetto importante
nelleconomia del ciclo del vapore legato ai recuperi termici e
delle condense. Le perdite di calore lungo il circuito vanno
minimizzate, come pure va ridotto il tempo di permanenza delle
condense calde nel serbatoio di accumulo: si effettuano poi
recuperi di calore dalle condense del vapore ad alta e media
pressione, facendole espandere e quindi utilizzando il vapore che
si produce (che condensa a temperatura inferiore) come fluido
riscaldante per altre utenze; infine si pu preriscaldare lacqua
alimentata. Tanto maggiore la quantit di condense recuperate, e
quindi riciclate, e tanto minore il quantitativo di acqua di
reintegro, che va sottoposta a trattamenti piuttosto onerosi.
Tuttavia, a differenza di quanto accade nelle centrali di
produzione di energia elettrica, in cui praticamente tutto il
vapore prodotto viene recuperato nelle condense, negli impianti
dellindustria di processo questa percentaule intorno al 50%, a
causa delle caratteristiche di alcune utilizzazioni, che comportano
un consumo netto di vapore, e del problema dellinquinamento delle
condense.
FLUIDI TERMICII fluidi termici si utilizzano per le esigenze di
riscaldamento e raffreddamento dellimpianto che non possono essere
soddisfatte con lacqua. Le caratteristiche principali richieste
sono buona capacit termica, elevato coefficiente di scambio
termico, stabilit termica, bassa viscosit, bassa corrosivit, bassa
tossicit, bassa infiammabilit e basso costo; poich non generalmente
possibile trovare un fluido che presenti tutte queste
caratteristiche, si sceglier, di volta in volta, quello che
rappresenta il miglior compromesso possibile [10]. Per temperature
elevate (200-320C) si utilizzano oli speciali diatermici,
costituiti da miscele di idrocarburi con 15-25 atomi di carbonio,
utilizzati come liquidi: miscele di composti aromatici, come il
Dowtherm (eutettico difenile-ossido di difenile), consentono di
raggiungere temperature fino a 400C. Per temperature maggiori, e
fino a 900C, si usano sali fusi, per lo pi cloruri alcalini, e
metalli alcalini fusi (sodio e potassio): tuttavia, tali
temperature sono richieste solo molto raramente negli impianti
dellindustria di processo. Per temperature inferiori ai 20 C e fino
a 10C circa si possono utilizzare salamoie, ossia soluzioni acquose
di cloruri alcalini, operanti in ciclo chiuso tra le varie
utilizzazioni ed un impianto frigorifero centrale. Questa soluzione
presenta per problemi di aggressivit chimica che ne limitano
alquanto lutilizzo. In alternativa alle salamoie, o come unica
possibilit per temperature al di sotto di 10C, si utilizzano
direttamente cicli frigoriferi, in cui lutilizzazione costituisce
la sorgente di calore del ciclo. La 226
refrigerazione ottenuta facendo vaporizzare un liquido che
presenti, a pressione atmosferica o prossima a quella atmosferica,
una temperatura di ebollizione inferiore a quella della corrente da
refrigerare.
Figura 149 [13] Il ciclo frigorifero a compressione, che quello
maggiormente utilizzato, prevede che il vapore che si produce venga
quindi compresso, fino ad una pressione tale che ne consenta la
successiva condensazione refrigerandolo con acqua ad una
temperatura intorno ai 40-50C. Il liquido condensato si raccoglie
in un serbatoio da cui viene prelevato, espanso in una valvola
riduttrice di pressione per riportarlo alla pressione a cui va
vaporizzato, ed inviato nuovamente nellapparecchiatura di scambio
termico (figura 149). Va rimarcato che, per effetto dellespansione,
parte del liquido (10-30%) vaporizza, andando in tal modo a ridurre
lefficienza del processo. Si usano cicli frigoriferi a propano,
ammoniaca ed etilene: con questultimo si raggiungono temperature
fino a circa 80C. Al di sotto di queste temperature i cicli
frigoriferi sono alimentati dagli stessi fluidi di processo.
ARIA COMPRESSANegli impianti dellindustria di processo laria
compressa viene utilizzata per inviare i segnali alle valvole a
comando pneumatico, che sono la maggioranza di quelle utilizzate
nel controllo automatico di processo, come pure per una serie di
altri scopi, quali [10]: trasporto pneumatico di solidi granulari
agitazione e sollevamento di liquidi pressurizzazione dei serbatoi
per scaricare i prodotti contenuti soffiaggio delle apparecchiature
dopo il loro arresto per manutenzione e prima che siano rimesse in
marcia Nella maggior parte dei casi i quantitativi di aria
compressa richiesta da un impianto sono notevoli ed essa viene
quindi prodotta in continuo. Laria viene prelevata dallatmosfera,
filtrata per eliminare eventuali solidi trascinati e compressa a
5-8 atm. Alluscita del compressore laria subisce un trattamento di
depurazione e viene essiccata per eliminare lumidit. Laria
compressa viene quindi immagazzinata in un serbatoio polmone che,
oltre a rappresentare una piccola riserva, consente di stabilizzare
la pressione: dal serbatoio si diparte una rete di distribuzione a
bassa pressione per laria strumenti ed una a 3-5 atm per laria
destinata agli altri usi di impianto.
227
INERTII gas inerti sono utilizzati negli impianti dellindustria
di processo per [10]: lavaggio di apparecchiature contenenti
prodotti infiammabili o esplosivi creazione di atmosfere inerti
allinterno o allesterno di alcune apparecchiature sostituzione
dellaria in tutte quelle operazioni in cui la presenza di ossigeno
sia pericolosa o comunque dannosa Come gas inerte viene
generalmente utilizzato lazoto: i consumi sono generalmente modesti
e in molti casi una scorta contenuta pu soddisfare le richieste per
molti giorni. Per esigenze molto ridotte si pu fare ricorso a
bombole, ma nel caso pi generale si utilizzano serbatoi in cui
viene immagazzinato azoto liquido: dal serbatoi parte una tubazione
che distribuisce lazoto nei punti in cui esso richiesto
nellimpianto. Il serbatoio pu lavorare a pressione appena superiore
a quella atmosferica, per consentire unerogazione immediata in caso
di bisogno; in ogni caso sono previsti dispositivi di riscaldamento
che consentono di evaporare rapidamente i quantitativi di azoto
richiesti dalle varie utilizzazioni. Lazoto liquido pu anche essere
utilizzato come mezzo criogenico.
PROBLEMATICHE DI SICUREZZA CONNESSE CON LE UTILITIESIl
funzionamento di un impianto di processo richiede numerosi servizi
di stabilimento, descritti nei paragrafi precedenti: gli aspetti
importanti relativi a queste utilities sono quelli relativi alla
sicurezza, affidabilit, qualit, nonch quelli economici e ambientali
[5]. Una delle cause principali per cui viene meno una delle
utilities la perdita di una parte della propria capacit seguita da
un rapido sovraccarico del resto del sistema, il che comporta un
cedimento dellintero sistema. Per evitare che ci si verifichi
occorrono prendere delle misure che comportano una ripartizione del
carico nei punti meno essenziali. Spesso pu risultare conveniente
utilizzare una distribuzione ad anello: ci aumenta laffidabilit
perch ogni punto alimentato da due parti diverse. Nel caso della
distribuzione del vapor dacqua occorre per fare attenzione alle
conseguenze che ci pu avere sul flusso nei rami principali. Le
tubazioni dei servizi passano attraverso gli impianti e sono quindi
vulnerabili nei confronti di incidenti: occorre perci pianificare
con cura i percorsi, specialmente per i cavi degli strumenti di
controllo. Per le funzioni essenziali i cavi vanno duplicati,
facendoli passare lungo percorsi diversi. In caso di incidente
grave alcuni servizi essenziali si possono danneggiare: le
conseguenze peggiori si hanno se viene meno lenergia elettrica ai
macchinari o alla strumentazione di controllo, oppure lacqua di
raffreddamento o quella antincendio. Elettricit In un impianto di
processo lelettricit viene utilizzata per alimentare macchine, per
riscaldamento e per la strumentazione. Lenergia elettrica pu
provenire dalla rete nazionale o locale o essere autoprodotta nello
stabilimento. Poich spesso in un impianto di processo si ha
necessit di vapor dacqua, gli stabilimenti pi grandi hanno
generalmente una propria centrale elettrica, con connessioni alla
rete elettrica nazionale o locale da cui possono prelevare o a cui
possono cedere energia elettrica. La mancanza di elettricit pu
causare problemi, quali la solidificazione di liquidi o la
vaporizzazione di gas liquefatti, e provocare lavvio della
procedura automatica di fermata dellimpianto. I punti pi critici, a
cui va assicurato unalimentazione elettrica 228
continua, sono le pompe che assicurano la movimentazione dei
fluidi per rimuovere calore dal processo, sia lato fluido di
processo che lato acqua industriale, come pure i motori elettrici
dei ventilatori degli air-cooler e quelli dellaria per i forni. Per
queste funzioni essenziali vanno previsti dei motori di riserva con
azionamento diesel o comunque non elettrico. Le apparecchiature
elettriche, come pure le correnti disperse da cavi di alimentazione
delle macchine, possono inoltre costituire una potenziale fonte di
innesco. Nellimpianto ci sono poi macchine, come i computer per il
controllo di processo e parte della strumentazione, che non solo
devono funzionare in continuo, ma che non sopportano neppure
fluttuazione di voltaggio. In questi casi si pu provvedere un
alternatore diesel o, per utenze che non richiedono grossa potenza,
un gruppo di continuit. Vapor dacqua In un impianto di processo il
vapore dacqua pu essere utilizzato per alimentare macchine (turbine
a vapore, eiettori), come fluido termico di riscaldamento, come
fluido di processo, a scopo di purga e inertizzazione, e per il
soffocamento di fiamme e vapori infiammabili (ad esempio nei
forni). La fonte principale di vapore costituita dalla centrale
termica, anche se ci possono essere alcune fonti secondarie dal
processo, come produzione di vapore in reazioni chimiche o da
recuperi termici; negli impianti pi piccoli il vapore viene
prodotto in caldaie. Problemi nella distribuzione del vapore si
possono avere in caso di presenza di acqua liquida, che causa sulle
tubazioni effetti simili a quelli del colpo di ariete. Occorre
anche fare attenzione alle perdite di vapore, che possano causare
fenomeni di elettricit statica e quindi costituire un innesco per
vapori infiammabili, ed alla presenza di aria, che disciolta in
piccole quantit nellacqua alimentata in caldaia. Se nella rete si
accumula aria, o altro gas incondensabile, come lanidride
carbonica, viene meno la corrispondenza biunivoca tra livelli di
pressione e di temperatura, per cui il vapore potrebbe non essere
in grado di riscaldare come previsto: vanno quindi previsti sfiati
per gli incondensabili. Generalmente non si provvede un secondo
apparecchio di riserva per la produzione di vapore: tuttavia, ci
possono essere problemi se viene a mancare il rifornimento di
vapore ad un riscaldatore. Infatti il vapore condensa a temperatura
pi bassa e ci comporta anche una riduzione di pressione: quando si
teme che lapparecchiatura possa andare sotto vuoto occorre
prevedere un ingresso di azoto. Aria compressa Laria compressa
viene utilizzata per la strumentazione a comando pneumatico, per la
respirazione o come aria di processo, nonch negli attrezzi
pneumatici e nelle operazioni di purga. Laria per usi generali
viene filtrata, compressa fino a 6-7 atm e raffreddata in modo da
far condensare lacqua: essa quindi priva di particelle solide, ma
satura dacqua e potrebbe contenere anche dellolio proveniente dal
sistema di lubrificazione del compressore. I requisiti dellaria per
la strumentazione a comando pneumatico sono invece di poter essere
rifornita con continuit (va quindi previsto un compressore di
riserva) e di essere priva non solo di particelle solide, ma anche
di olio e acqua. Per quanto riguarda laria utilizzata come reagente
nel processo, di solito ottenuta per compressione di aria
atmosferica, molto importante il punto di prelievo per evitare la
presenza di 229
contaminanti. Generalmente non si prevedono compressori di
riserva. Gas inerti Come gas inerti si utilizzano principalmente
azoto e anidride carbonica. Lazoto si pu usare per inertizzazione,
nel processo, come gas di purga e per pressurizzazioni. Atmosfere
inerti sono spesso richieste in processi di polimerizzazione,
preparazione di catalizzatori, rigenerazione di essiccanti, nelle
centrifughe e nei serbatoi di stoccaggio. Tra gli usi di processo
ci sono quelli di diluire la concentrazione di reagenti, come ad
esempio lossigeno nei processi di ossidazione: nei processi che
lavorano ad alta pressione ci porta ad una riduzione della
pressione parziale dellossigeno. Lutilizzo dellazoto come gas di
purga consente di prevenire lingresso di aria a contatto con
sostanze infiammabili. La pressurizzazione mediante inerti consente
di evitare problemi legati alla riduzione della pressione al di
sotto di quella atmosferica, con conseguente collasso di apparecchi
che si trovano a lavorare sotto vuoto. Occorre assicurare la
presenza di quantitativi sufficienti di gas inerti o producendoli
direttamente sul posto attraverso il frazionamento dellaria, in
caso di grossa richiesta, o assicurandone un rifornimento efficace,
con riserve sufficienti o mediante un approvvigionamento continuo.
Si possono quindi utilizzare soluzioni quali parchi bombole,
generatori di gas inerti, stoccaggi di gas o gas liquefatti e
approvvigionamento mediante gasdotti. Acqua Sotto questa voce si
comprendono generalmente le seguenti tipologie: acqua di
raffreddamento acqua di processo acqua antincendio Acqua di
raffreddamento Tenuto conto che essenziale garantire la
refrigerazione alle unit dellimpianto occorre assicurare sia la
continuit di funzionamento delle pompe dellacqua di raffreddamento,
installando una riserva, sia lalimentazione continua al motore
delle pompe, con motori elettrici e diesel. E buona norma tenere
separati i circuiti dellacqua di raffreddamento e dellacqua
antincendio, per evitare che, in caso di incendio, si verifichino
anche problemi di refrigerazione alle unit di impianto. Acqua di
processo Lacqua pu essere utilizzata come materia prima
nellimpianto e la sua purezza dipende dalle esigenze del processo.
In genere non si utilizza lacqua di raffreddamento a scopi di
processo. Occorre poi assicurare unalimentazione di acqua trattata
alla caldaia di produzione del vapore. Acqua antincendio Lacqua
antincendio deve essere predisposta in vasche o serbatoi appositi,
in quantit idonea ad affrontare per un tempo prefissato il massimo
incidente ipotizzato come credibile nellimpianto. In caso di un
grosso incendio la portata dacqua necessaria varia generalmente tra
750 e 1500 m3/h. Il tempo per cui tale portata deve poter essere
230
erogata dipende anche dalla localizzazione delle unit
antincendio esterne allo stabilimento: tipicamente si considera di
dovere assicurare una copertura per 2-3 ore. Le pompe per lacqua
antincendio, tutte dotate di riserva, hanno alimentazione diesel
per potere funzionare anche in assenza di alimentazione elettrica:
si deve prevedere unadeguata scorta di combustibile per garantirne
il funzionamento per il tempo previsto. In alcuni casi si possono
utilizzare serbatoi sopraelevati che garantiscono un battente per
la movimentazione dellacqua. Il circuito dellacqua antincendio del
tipo ad anello chiuso, per assicurare che ogni punto sia alimentato
almeno da due lati. Fluidi termici Oltre al vapor dacqua ed
allacqua di raffreddamento ci sono altri fluidi termici, come oli
minerali, utilizzati per riscaldare ad alta temperature (260-350C)
o fluidi frigoriferi, come ammoniaca, etilene, ecc. I fluidi
termici che lavorano ad alte temperatura sono soggetti a
degradazione termica: si possono formare depositi solidi che
ostacolano lo scambio termico e possono arrivare ad ostruire i
tubi. Molto spesso questi fluidi sono infiammabili e vanno quindi
evitate le perdite. I fluidi frigoriferi sono generalmente
utilizzati come gas liquefatti che vengono fatti vaporizzare a
bassa pressione: molti dei fluidi usati, come ammoniaca ed etilene,
sono pericolosi. In passato tali fluidi erano stati sostituiti con
i CFC (non tossici n infiammabili) il cui uso per ora vietato per
ragioni ambientali, poich si ritiene che tali gas siano
corresponsabili della formazione del buco dellozono.
231
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APPENDICE - SIMBOLI GRAFICI DI ALCUNE APPARECCHIATURE
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