RETROFIT DI UN CRISTALLIZZATORE BATCH PER MONOMERI A BASE BIOLOGICA

In alternativa ai tradizionali processi petrolchimici, solitamente a base di nafta o gas naturale, si sta sviluppando la cosiddetta “bioraffineria”. I processi iniziali di una bioraffineria erano prevalentemente basati sullo zucchero come prodotto di partenza e quindi erano in competizione con la produzione di alimenti e mangimi.
I processi più moderni, i cosiddetti bioprocessi di seconda generazione, mirano a utilizzare quasi tutti i componenti delle materie prime rinnovabili, cioè quasi tutti i componenti vegetali. La produzione di monomeri bio-based avviene in un fermentatore aerobico. Dopo la produzione, i monomeri vengono purificati, spesso in una fase di cristallizzazione. La fase finale è la polimerizzazione o la policondensazione a polimero a base biologica.

In tutte le fasi del processo, l’efficienza di processo e della tecnologia di miscelazione è la chiave del successo. La cristallizzazione offre notevoli vantaggi per la lavorazione e la purificazione dei prodotti di fermentazione ottenuti. A causa dell’elevato punto di ebollizione dei componenti, la cristallizzazione è di gran lunga il processo di separazione termica più efficiente dal punto di vista energetico, in quanto può essere condotta a temperature significativamente più basse rispetto alla rettifica. Inoltre, la cristallizzazione raggiunge spesso una purezza del prodotto molto elevata con un solo stadio di separazione grazie all’equilibrio di fase. I monomeri prodotti e purificati mediante cristallizzazione includono acidi dicarbossilici per la policondensazione (ad esempio, acido succinico, adipico, tereftalico...) o dioli o lattidi. Molti di questi componenti vengono liberati dai sottoprodotti attraverso la cristallizzazione in soluzione e quindi preparati per la polimerizzazione o la policondensazione a polimeri a base biologica.

L’acido succinico è una speranza fondata e centrale per le biotecnologie industriali; è la base per la produzione di resine poliestere o alchidiche2. Si trova anche, esterificato con polialcoli, come solvente e plastificante in varie plastiche e cere. Altri suoi esteri sono utilizzati nella produzione di profumi. Come materia prima, è un importante elemento costitutivo per la produzione industriale di vari prodotti chimici e polimeri, come l’1,4-butandiolo, il polibutilene succinato, il polibutilene adipato-tereftalato o il polibutilene tereftalato. I prodotti citati sono presenti soprattutto nell’industria degli imballaggi e sono parzialmente biodegradabili. L’acido succinico è quindi un prodotto di partenza molto interessante per la produzione di poliammidi e di poliestere a base biologica.
L’agitatore iniziale nell’esempio corrisponde a una configurazione standard della fine degli anni ‘70 e dispone di un sistema di agitazione a 3 stadi a pale inclinate con una potenza di circa 0,5 kW/m3. Quello che una volta era stato realizzato come agitatore multiuso purtroppo non è sempre adatto al caso speciale. Il produttore fa quello che molti farebbero: carica il suo reattore e inizia a produrre. Tuttavia, dopo i primi lotti, appare evidente che la qualità del prodotto e i tempi di batch non soddisfano i requisiti. Ad esempio, la dimensione del cristallo è troppo piccola o difficile da controllare, causando gravi problemi nella fase di filtrazione a valle.
Ciò che a prima vista sembra difficile può essere risolto con il retrofit. Spesso, gli impianti costruiti per un’ampia gamma di prodotti hanno riserve meccaniche aggiuntive. Questo potenziale meccanico può ora essere sfruttato per la specializzazione in un processo specifico. Sia il processo che l’agitatore sono considerati in modo olistico. Nel primo approccio, il serbatoio agitato viene analizzato mediante CFD. EKATO ha vari metodi CFD. Diverse configurazioni dell’agitatore possono essere simulate e confrontate in modo efficiente e rapido sulla base di un processo completamente automatizzato. Un successivo studio CFD dettagliato delle varianti più promettenti consente un’analisi più precisa del comportamento di flusso atteso delle configurazioni favorite. Questo non solo rivela il potenziale di miglioramento in termini di comportamento di miscelazione e potenza assorbita, ma analizza anche l’effetto di taglio delle pale della girante.
Nel calcolo CFD della turbina a pale inclinate originale, si osservano velocità radiali molto elevate a livello della girante. Questo indica sforzi di taglio molto elevati. La dimensione dei cristalli è inversamente proporzionale al taglio. Un taglio elevato provoca la rottura dei cristalli e quindi una distribuzione granulometrica ampia. Inoltre, a causa dell’elevata potenza trasmessa, è prevedibile una superficie turbolenta. Ciò porta a proiezioni e depositi sulle pareti del serbatoio al di sopra del livello di riempimento. Questi ultimi possono crescere in modo incontrollabile e staccarsi in modo incontrollabile. Nel peggiore dei casi, ciò può causare danni all’agitatore (ad esempio, flessione dell’albero o delle giranti). Anche la superficie turbolenta viene immediatamente rilevata dall’analisi che viene effettuata.

Sulla base della necessità di una girante a basso taglio con una buona miscelazione assiale, emergono due possibili soluzioni EKATO. Per entrambi i sistemi sono state calcolate anche un sistema basato sulla girante EKATO VISCOPROP e un’alternativa offerta dalla girante EKATO ISOJET B. Per entrambi i sistemi sono anche state effettuate simulazioni CFD. Il sistema di giranti EKATO VISCOPROP è caratterizzato da un taglio inferiore rispetto alla turbina a pale inclinate. Questo è chiaramente visibile nelle velocità radiali ridotte nell’immagine CFD. La girante è disponibile con due diversi angoli delle pale. In questo caso, si preferisce il più piatto dei due angoli anche per ottenere un buon flusso assiale. La miscelazione assiale uniforme è chiaramente visibile nell’immagine CFD. Tuttavia, il sistema di giranti trasmette una potenza significativamente inferiore rispetto a quanto originariamente installato. Nel laboratorio EKATO vengono effettuate prove con il prodotto originale per conto dei clienti. Vengono anche eseguite varie curve di riscaldamento e raffreddamento per creare un diagramma di solubilità. Questa non è solo la base per la progettazione del processo e l’effettivo retrofit, ma anche un’informazione estremamente importante per il successivo funzionamento dell’impianto e l’associata elevata qualità del prodotto.
Nelle prove, viene validata e confermata la necessità di un sistema di girante con il minor taglio possibile, che consenta ai cristalli di crescere fino alla dimensione desiderata e garantisca la distribuzione granulometrica migliore possibile. Viene verificata anche la quantità residua o la miscelazione a bassi livelli di riempimento che alla fine si rivela meno critica di quanto inizialmente ipotizzato. Dopo che le prove e le simulazioni CFD si sono confermate a vicenda e anche che due possibili soluzioni sono tecnicamente fattibili, questi devono essere verificati dal punto di vista meccanico. I risultati vengono scalati alla scala di produzione e viene eseguita la relativa progettazione meccanica. L’agitatore viene riconvalidato meccanicamente secondo i criteri vigenti per identificare eventuali punti deboli o evitare sovraccarichi dei componenti. Vengono considerati tutti i componenti: potenza del motore, caratteristiche del riduttore e del sistema lanterna- cuscinetti, tenuta e albero dell’agitatore, con particolare attenzione ai nuovi sforzi e alla velocità critica. Le verifiche vengono effettuate da Ekato con proprio know-how o con il supporto dei fornitori originali.
L’esempio presentato presuppone che vengano utilizzate nuove giranti. Gli spessori delle pale vengono ricalcolati e le giranti vengono costruite di conseguenza. Tuttavia, spesso è sufficiente modificare la velocità utilizzando un convertitore di frequenza. In tal caso, è importante controllare gli spessori delle pale delle giranti esistenti. Spesso gli operatori dell’impianto non sono completamente consapevoli dell’impatto che un cambiamento di velocità ha sul sistema agitatore-serbatoio.
In ogni progettazione meccanica EKATO calcola i carichi sulla flangia di montaggio dell’agitatore e per gli accessori del serbatoio (ad esempio, deflettori, tubi di ingresso e uscita, ecc.). Se le forze, il peso, la velocità o il numero di pale della girante cambiano, è necessario controllare il sistema serbatoio. A seconda dell’applicazione, ci sono varie possibilità. L’analisi della resistenza meccanica operativa viene utilizzata per verificare la resistenza. Eventuali problemi di risonanza possono essere valutati ed esclusi utilizzando un’analisi modale, in entrambi i casi con analisi agli elementi finiti (FEA).
I risultati delle prove tecniche e della validazione meccanica sono riassunti in un rapporto e forniti al cliente come base per il processo decisionale. I carichi degli scenari attuale e futuro sono confrontati qualitativamente. Parallelamente, EKATO prepara la corrispondente offerta di retrofit per la conversione. La relazione tecnica e l’offerta di retrofit costituiscono la base per il processo decisionale per l’attuazione del progetto. Nell’esempio, entrambe le varianti descritte sono possibili senza ulteriori modifiche all’agitatore. Il retrofit può essere effettuato come “Plug & Play”. Allo stesso tempo, la durata dell’arresto della revisione è ridotta al minimo. Inoltre, il cliente può ripristinare la configurazione originale senza ulteriori modifiche. In questo modo, il progetto è coperto in modo completo e l’agitatore può affrontare le sfide future. EKATO offre questo servizio sia per gli agitatori propri sia per quelli di altri produttori.

Articolo pubblicato su ICP Magazine N. 4 2025
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