Il process flow diagram nell’industria chimica

Questo articolo è una trattazione introduttiva alla progettazione dei processi chimici industriali. Esso introduce le tecniche per la costruzione dei Block Flow Diagram (BFD) e Process Flow Diagram (PFD). Infine, vengono discussi il concetto di throughput e le varie funzionalità del programma BlockSim relative all’analisi dei processi. Per un’introduzione generale al programma, si consiglia il corso RSW300.

Nelle parti pratiche si farà riferimento a uno schema complesso che rappresenta in maniera semplificata il processo di raffinazione del petrolio nei suoi idrocarburi derivati (fig. 1).

L’analisi e il disegno di processi chimici industriali

I diagrammi di flusso sono essenziali per una comunicazione chiara ed efficace tra i membri di un team, soprattutto in settori ad alto rischio come l’industria chimica. Poiché le materie prime utilizzate presentano rischi estremamente elevati per la salute e per l’ambiente, sono necessarie numerose analisi, sia sintetiche che dettagliate, dei processi necessari a trasformare i materiali grezzi in prodotti finiti. Queste si sviluppano in tre fasi principali, e ciascuna di esse produce come risultato un diagramma di flusso:

1. Definizione del processo da cui si ottiene il prodotto finito a partire dalle materie prime: un’analisi più o meno dettagliata a seconda delle esigenze, che culmina nella creazione di un diagramma a blocchi (block flow diagram) che descrive a grandi linee il processo produttivo;
2. Sviluppo della topologia dell’impianto: ha come obiettivo la creazione di un disegno schematico della tipologia di componenti presenti nell’impianto, delle loro caratteristiche e relazioni;
3. Design dettagliato delle apparecchiature necessarie: comprende non solo le componenti in contatto con i fluidi, ma anche i sistemi di controllo che governano le loro azioni.

Process Flow Diagram (PFD)

Il Process Flow Diagram (PFD) rappresenta il punto nevralgico della progettazione di un impianto chimico industriale, poiché contiene la maggior parte delle informazioni necessarie per realizzarlo. Un PFD contiene di norma le seguenti informazioni:

• insieme di tutte le attrezzature atte a trasformare la materia prima in prodotto finito, corredate da un codice identificativo univoco e un nome descrittivo;
• le composizioni e le portate di materiale tra le attrezzature, identificate anch’esse attraverso codici univoci;
• flussi di utenze, come idrica ed elettrica, necessari per lo svolgimento dei processi;
• cicli di controllo che regolano il processo di trasformazione.

Dunque, un PFD è un diagramma estremamente complesso e ricco di informazioni, il che presenta delle importanti sfide alla comunicazione efficace. Spesso è impossibile inserire i dettagli di ciascuna componente all’interno del diagramma stesso, per cui si ricorre all’uso di tabelle aggiuntive che ne descrivono le caratteristiche più importanti. Grazie a questa soluzione, il diagramma rimane chiaro alla lettura, ma non lesina sui dettagli.

Le informazioni principali presentate da un PFD si caratterizzano in topologia del processo e informazioni riguardo ai flussi.

Topologia del processo

La topologia del processo è una rappresentazione visiva delle tipologie di componenti e delle loro relazioni. Sebbene esista una moltitudine di componenti diverse tra loro, esse sono riconducibili a un gruppo ristretto di categorie. In BlockSim, queste sono:

• Sorgente: punto di entrata del fluido all’interno del diagramma, ed agisce dunque come sorgente di questo;
• Scarico: punto di uscita del fluido dal diagramma;
• Processo: blocco funzionale che trasforma i materiali in input di varia natura in prodotti finiti o sottoprodotti da processare ulteriormente a valle;
• Serbatoio: stoccaggio di una singola tipologia di fluido che può però possedere input e output multipli, analogamente al blocco di processo;
• Valvola: componente per il reindirizzamento del fluido in entrata verso una delle due possibili uscite.

Processo, serbatoio, e valvola sono considerate componenti suscettibili ai guasti, perciò deve essere definita per ciascuna di esse una universal reliability definition (URD) che ne modella le caratteristiche di affidabilità e gli interventi di manutenzione su di esse compiuti.

Informazioni circa i flussi

All’interno del PFD, i flussi definiscono le quantità e le proporzioni di sostanze che fungono da materie prime e prodotti dei processi di trasformazione.

In BlockSim, i flussi sono detti flow types, e sono rappresentati da frecce orientate che si sviluppano dal blocco di output e terminano nel blocco di input successivo. Questi flow types possiedono ciascuno un nome proprio e un’abbreviazione, la quale viene mostrata nel diagramma per distinguere le varie sostanze (fig. 2).