Università di Trieste e PadovaIngegneria Chimica

Il titolo della tesi di dottorato:

“Progettazione assistita al calcolatore di processi industriali sostenibili ”

Motivazione dell’argomentol’industria è un elemento decisivo per la crescita economica

molte variabili sono coinvolte quando si prende la decisione di investire nei paesi in via di sviluppo

i paesi in via di sviluppo offrono diversi servizi ad un prezzo basso

la decisione di investire e costruire un impianto in questi posti e’ molto allettante

lo scopo e’ quello di migliorare l’impatto ambientale e nello stesso tempo mantenere la performance economica

c’e’ un grande interesse per lo sviluppo di metodi che possano essere usati per la prevenzione, o , almeno per la diminuzione dell’inquinamento

e’ possibile ridurre la generazione degli scarti e il loro impatto modificando il design del processo

i simulatori di processo sono usati per lo sviluppo e per l’implementazione di nuovi processi o per modificare i processi gia’ esistenti

È uno strumento usato per valutare l’impatto ambientale di un processo chimico.

La valutazione si fa attravero gli indici d’ impatto ambientale. Si basa su equazioni di bilancio d’ impatto ambientale

Cos’è L’algortimo WAR?

systgen

epwe

cpwe

epout

cpout

epin

cpin

syst IIIIIIIt

I

)()()()()()(

cp

iwe

cp

jcpwe

kkkj

cp

j

cp

j

out

joutj

cpout

kkkj

cp

j

cp

j

in

jinj

cpin

EI

xMII

xMII

0

...

...

)()(

)()()(

)()()(

ep

iwe

ep

jepwe

kkkj

gep

j

out

j

sep

j kkkj

out

j

kkkj

cp

j

gep

j

out

joutj

epout

kkkj

ep

j

ep

j

in

jinj

epin

EI

xM

xMxMII

xMII

0

...

...

0...

)()(

)(

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)()()(

WAR Algorithm

Lavoro svolto:

I anno - tecniche per la prevenzione dell’inquinamento - studio dell’algoritmo WAR - scelta degli strumenti per l’implementazione dell’algoritmo WAR(la metodologia CAPE-OPEN) - forma iniziale per i programmi di supporto - esempi

II anno - ottimizzazione programmi di supporto - accesso alla base di dati tossicologica - sviluppo e implementazione del processo di generazione di energia - esempi

Presentazione del lavoro

L’implementazione dell’algoritmo WAR nei simulatori di processo

Step 1- Sviluppo interfaccia iniziale per il setaggio dei pesi delle categorie d’impatto ambientale (Weighting factors interface)

Step 2- Sviluppo moduli CAPE OPEN (CO) 2.1 WAR implementato in CO 2.2 Processo di generazione di energia implementato in CO

Step 3- Interfaccia finale- calcolo degli indici d’impatto ambientale (Final interface -PEI calculation)

in collaborazione con il Centro Internazionale per la Scienza e l’Alta Tecnologia (ICS-UNIDO),Trieste

Schema generale dell’ implementazione

Results.txt Stream_and_name_composition.txt

ENVINDEXtot.txt

Factors.txt

Factors.exe

Factors_new.txt

the factors are not modified

the factors are modified

Toxicity Data Base

Weighting factors(Factors.txt or

Factors_new.txt)

Process simulation flow-sheet

Test.txt

Display.txt

Substances.txt

Step I. Weighting

factors calculation

Step II.Development

of CO Modules

Step III.Final

interface(PEI

calculation)

Proall.dll (WAR in

CO)

Proenergy.dll (coal

combustion in CO)

STEP1Sviluppo dell’interfaccia per il setaggio dei pesi delle categorie d’impatto ambientale

L’interfaccia…

STEP 2

Sviluppo dei moduli Cape Open(CO) L’implementazione è stata fatta usando la

metodologia CAPE OPEN

(Computer Aided Process Engineering)

Lo scopo della metodologia CAPE è di permettere l’interfacciamento di diversi componenti software provenienti da fonti eterogenee

La scelta di questa metodologia è stata fatta proprio perche’ si vuole ottenere un modulo standard capace di interagire con tutti i simulatori di processo esistenti sul mercato

Strumenti utilizzati:

2.1 L’implementazione dell’algoritmo WAR nei simulatori di processo (la metodologia CAPE OPEN)

Il modulo CO contiene: un’entrata

un’uscita

tre parametri

2.2 Il processo di generazione di energia

Assunzioni

1. L’energia si ottiene dalla combustione del carbone

2. Solo i flussi gassosi vengono considerati nel calcolo dell’impatto ambientale

3. I bilanci di materia e di energia della combustione del carbone sono state implementate in un modullo CO

Schema generale del processo di generazione di energia

Calculates the energy supplied by external

sources

Read the energy necessary for the chemical process

Proenergy.dll (coal combustion in

CO)

Simulation of the Chemical process

Calculates the environmental impact

of the chemical process

Calculates the environmental impact

of the energy generation process

Total environmental impact

Associati alle uscite (PEI/h o PEI/kg di prodotto):

total rate of impact output

total impact output per mass of products

Associati alla generazione:

total rate of impact generation

total impact generated per mass of products

)(toutI

)(^ t

outI

)(^ t

genI

)(tgenI

STEP 3 Sviluppo dell’interfaccia finale per il calcolo degi indici d’impatto ambientale

Gli indici dell’impatto ambientale:

Osservazioni:

Minori sono i valori di questi indici, maggiore è l’efficienza del processo

“Agire” prudentemente consiste nel generare meno PEI possibile, tenendo conto dei vincoli ingegneristici e delle necessità della società

Sviluppo dell’interfaccia finale per il calcolo degli indici d’impatto ambientale

Accesso alla base di dati tossicologica

La base di dati contiene

1707 sostanze Informazioni sulle sostanze:- CAS-Number- la classe- la formula- valori delle categorie d’impatto ambientale- fonti dei valori delle categorie d’impatto ambientale.

Define the Connection Object

(Connects to the database)

.EOF property of the RecordSet will be False

(there are data corresponding to the specified request)

The records have been returned

1. Define the objects Define the Command Object

(Define what data to take from the DB)

Define the RecordSet Object(stores the data get from

the DB)

2. Define the connection string to

access the DB

Define the Command Object

Define the RecordSet Object

Test if any records have been returned

5.Test

The records have NOT been returned

.EOF property of the RecordSet will be True

(there are no data corresponding to the specified

request)

Populate the variable with: The CAS-NO Molecular Weight The normalized values of

the impact categories

Calculate the overall potential environmental impact of the chemical

6. Make the calculations using the

data from the DB

3. Identify the table object in the DB

Open the connection using

the password

4. Establish the relationship beetween

the Connection Objects and

Command Objects

Define .CommandText(command how to

select the data-evaluate the text as a SQL

string)

Define .CommandType

(command to evaluate the SQL property)

Define .CursorType

Define .CursorLocation

Define .LockType

Define .Open

(stores the returned records in the RecordSet

Object)

7. Close the connection with

the DB

Il processo di produzione dell’acido acrilico Il processo di produzione dell’anhidride ftalica Il processo di produzione della formaldeide a partire da metanolo Il processo d’incenerazione dei composti pesanti presenti nel suolo Il processo di ricovero dei composti presenti nel gas naturale tramite

DGA Il processo di produzione di dimetil etere

Esempi di applicazione

Caso studio

Il processo di produzione di dimetil etere(DME)

E-1

E-2

E-3 E-4

E-5

E-6

E-7

E-8

P-1

P-2 P-3 P-4

V-2

P-5 P-6

E-9P-7

E-10

P-8

P-9

P-10

P-11

V-3

P-12

E-11

E-12

P-13

P-14

P-16

P-17

P-18

P-19

P-20

Assunzioni:

La produzione desiderata è di 50.000 tonnellate di DME / anno

Deidrogenazione del metanolo usando come cattalizzatore dei zeoliti

Si assume che la conversione del metanolo nel reattore e’ dell’ 80%

Simulazioni effetuate

Sono stati simulati due casi:

1. Il processo senza l’integrazione energetica

2. Il processo con l’integrazione energetcia

Comparazione fra i processi:

148

150

152

154

156

158

160

162

1

different designs of the process

Iou

t(P

EI/h

r)

Case1

Case2

2.50E-02

2.55E-02

2.60E-02

2.65E-02

2.70E-02

2.75E-02

1

different designs of the process

Iou

t_m

p0(P

EI/kg

)

Case1

Case2

-2482

-2480

-2478

-2476

-2474

-2472

-2470

-2468

1

diff erent designs of the process

Case1

Case2

-0.416

-0.4155

-0.415

-0.4145

-0.414

-0.4135

1

different designs of the process

Ige

n_

mp

0(P

EI/k

g)

Case1

Case2

Collaborazione con CO-LaN

CO-LAn CAPE-OPEN Laboratories Network

Collaborazione: 1. Casi studio sviluppati + materiale forniti

2. Testare il nuovo Wizard(versione 1.0)

Conclusioni:

È possibile ridurre la generazione degli scarti e il loro impatto ambientale modificando il design del processo

L’algoritmo WAR può essere usato nella progettazione dei nuovi impianti o negli impianti gia esistenti (per la scelta della soluzione ottimale dal punto di vista ambientale)

L’algoritmo WAR è stato implementato usando una nuova tecnica (CAPE OPEN)

L’impatto amibientale vienne calcolato no solo per il processo chimico ma anche per il processo di generazione di energia conesso al processo chimico

Sono stati sviluppati i programmi di supporto addizionali

L’algoritmo è stato testato usando due simulatori di processo diversi (Aspen Plus e PROII)

Sviluppi passati e futuri

Conferenze:

- A CAPE-OPEN Unit Operation for the Evaluation of

Environmental Impact of a Chemical Process, CO-LaN Annual General Meeting, 7-9 Marzo, Heidelberg, Germania

- A Hierarchical Approach for the Estimation of Environmental Impact of a Chemical Process: from Molecular Modelling to Process Simulation, ESCAPE17, 27-30 maggio 2007, Bucharest, Romania

- Development of a framework, Process Sustainable Prediction (PSP), for the prediction of process sustainability, ICheaP-8, 24-27 June 2007 Ischia, Italia

Ringraziamenti

Ing. Gennaro LongoDirettore – Area Ambiente (Earth, Environmental and Marine Science Technologies

ICS-UNIDO, Trieste

Support teams: Aspen Tech PROII CO-LaN- Michel Pons