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...
)()(
)(
)()()()(
)()()(
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