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Process Flow Simulation Diagram immagine di copertina

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).

Figura 1: Diagramma di flusso semplificato di una raffineria.

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:

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;
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;
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).

Figura 2: Schermata di definizione di nuovi flow types in BlockSim.

Una volta definiti la topologia e i flussi del sistema, è tempo di volgere lo sguardo all’aspetto quantitativo di un PFD, ovvero l’analisi del throughput.

Throughput: caratterizzazione dei flussi e della produttività

Uno dei risultati più importanti ottenibili da un’analisi PFD è la caratterizzazione dei flussi del processo o dell’impianto. Grazie a questo studio è possibile saggiare la produttività del sistema, oltre che identificare le inefficienze e i single points of failure che rendono il processo poco fruttuoso e fragile. In BlockSim, la produttività si misura attraverso il throughput.

Si definisce throughput in senso stretto la quantità di fluido in output che un particolare blocco può elaborare in una unità di tempo. Ad esempio, ponendo come unità di massa il chilogrammo, e come unità di tempo l’ora, esso potrebbe produrre 10kg di prodotto all’ora, dunque il suo throughput è di .

La schermata delle proprietà del blocco possiede una sezione denominata anch’essa “Throughput”, la quale racchiude tutte le proprietà relative al flusso di materiale che il blocco può elaborare. Ciascuna tipologia di componenti definita nel par. 1.2.1 possiede delle caratteristiche particolari, ma quasi tutte sono accomunate dalle seguenti proprietà:

maximum output (quantità di output massima);
mass unit (unità di massa);
time unit (unità di tempo).

Le ultime due caratteristiche, combinate tra loro, offrono una misura della portata della componente.

I paragrafi seguenti introducono le varie componenti, mostrate in fig. 3.

Figura 3: Tipologie di blocchi principali relativi al PFD in BlockSim.

Sorgente

Il blocco sorgente (“Source”) rappresenta l’entrata di un fluido all’interno del diagramma, e può avere più di un output, ma nessun input.

Scarico

Lo scarico (“Sink”) è un blocco speculare alla sorgente, e rappresenta il punto di uscita del fluido dal diagramma. Esso può avere input multipli, ma nessun output.

Blocco di processo

Il blocco di processo (“Process”) è assimilabile ad un comune blocco presente nel Reliability Block Diagram (RBD), e modella un processo personalizzato. Un processo può avere input e output multipli, e i fluidi passanti attraverso questo possono essere di varia natura.

In termini di throughput, invece di definire una costante o un modello che regola il flusso di materie prime, occorre impostare i coefficienti della formula di equilibrio di massa delle sostanze in esame (laddove il blocco modelli un processo chimico), oppure definire rapporti tra input e output laddove vi siano delle semplici divisioni o combinazioni di flussi. Di conseguenza, la somma dei coefficienti in input deve essere equivalente alla somma dei coefficienti in output, come mostrato nella fig. 4.

Figura 4: Equilibrio tra il greggio in input e gli idrocarburi in output.

Serbatoio

Il serbatoio (“Tank”) ha il compito di immagazzinare una singola tipologia di fluido, ma, analogamente al blocco di processo, può avere più input e più output.

Valvola

Questo particolare blocco (“Valve”) possiede solamente un input e due output di diversa priorità. La scelta di una delle direzioni di output dipende dalla portata passante per la valvola: se questa dovesse scendere al di sotto di una certa soglia, il flusso verrebbe dirottato dall’output primario al secondario.

Interfaccia utente nel foglio PFD

L’interfaccia della funzionalità Process Flow in BlockSim presenta molte somiglianze con quella relativa al Reliability Block Diagram. Come mostrato in fig. 5, il diagramma principale è circondato rispettivamente dal “Project Manager”, un menu utile per navigare all’interno del progetto o attraverso vari progetti, e la colonna di simulazione. Il ribbon nella parte superiore mette a disposizione varie funzionalità, relative ai blocchi e alle loro proprietà.

Figura 5: Interfaccia PFD in BlockSim.

La fig. 6 mostra la finestra attraverso la quale è possibile modificare i parametri di simulazione quali il tempo massimo di simulazione, ogni quanto tempo restituire risultati, e l’accuratezza della simulazione attraverso lo step interval; un intervallo minore porta a una simulazione più accurata, ma più dispendiosa in termini di risorse computazionali.

Figura 6: Finestra di simulazione.

Analisi dei risultati: fogli di calcolo e grafici

Consideriamo il sistema principale, mostrato in fig. 1, per estrapolare informazioni utili dall’analisi del processo.

Lo studio del Process Flow in BlockSim offre diversi risultati, sia numerici che grafici. Questo articolo si focalizza sulle metriche relative al throughput.

Supponendo un valore di 1000 kg/hr sia per la sorgente di greggio che per gli scarichi di idrocarburi derivati, si ottengono i risultati mostrati nei paragrafi seguenti.

Risultati numerici ed esportazione in formato Excel

I sommari di flusso di sorgenti e scarichi sono definiti in modo essenzialmente analogo. Essi indicano i nomi dei rispettivi blocchi, i tipi di sostanze processate e le loro quantità, nonché il valore monetario legato al throughput: costi per la sorgente, ricavi per lo scarico.

Figura 7: statistiche di flusso proveniente dalla sorgente.

Figura 8: Statistiche di flusso passante per lo scarico.

Vengono inoltre fornite statistiche di flusso riguardo alle varie connessioni presenti all’interno del sistema.

Figura 9: Statistiche dei flussi passanti per i diversi connettori.

Di rilievo sono inoltre le statistiche dei serbatoi, le quali offrono informazioni quali la quantità media e la tipologia di fluido immagazzinato, e il tempo di operazione a pieno carico o a vuoto.

Figura 10: Statistiche dei fluidi immagazzinati nei serbatoi.

Convertire questi dati in un formato facilmente consultabile dal management è semplice e immediato, grazie alle funzionalità di esportazione al formato Excel.

Figura 11: Simulation Result Explorer e le funzionalità di esportazione.

Risultati grafici

BlockSim può generare non solo risultati numerici, ma anche molti grafici personalizzabili.

Il grafico “Tank Level vs Time” mostra l’andamento del livello di fluido immagazzinato nei serbatoi in relazione al tempo di simulazione. Ciascun colore identifica un serbatoio diverso.

Figura 12: Livello di fluido nel serbatoio in relazione al tempo di simulazione.

In “Connector Flow Rate vs Time” si osserva l’andamento della portata di ciascuna connessione al variare del tempo. Per semplicità, il grafico in fig. 13 seleziona solamente il flusso di greggio fino alla fornace, e i flussi dei vari sottoprodotti dai serbatoi agli scarichi.

Figura 13: Portata dei fluidi in funzione del tempo.

Sono inoltre disponibili grafici cumulativi riguardanti le connessioni, sia in termini di portata nel tempo (“Connector Cumulative Mass Flow”), che di portata totale (“Connector Total Mass Flow”).

Figura 14: Portata cumulativa nel tempo.

Conclusione

Questo articolo ha esaminato la pratica della progettazione dei processi e degli impianti chimici, svolta attraverso una serie di diagrammi di flusso di complessità sempre maggiore. Dopo una trattazione teorica delle tecniche di sviluppo del Block Flow Diagram (BFD) e del Process Flow Diagram (PFD), è stato analizzato il concetto di throughput in relazione alla produttività dell’impianto, grazie all’ausilio del programma BlockSim, dal quale sono stati tratti i grafici e i risultati numerici derivanti dall’analisi.

Il Process Flow Diagram in sintesi

È uno strumento fondamentale nell’industria chimica.
Può essere utilizzato per modellare processi chimici o interi impianti.
Favorisce la comunicazione tra i membri del team di lavoro.
Presenta le informazioni in maniera sintetica, ma fa emergere ciò che è essenziale.
Può fornire risultati dinamici e adatti a qualsiasi tipo di processo grazie al software BlockSim.