gascromatografia di processo GRANDANGOLO - Promedianet.it

GRANDANGOLOABB - OTTIMIZZAZIONE DI ANALISI GAS CROMATOGRAFICHE DI PROCESSOUn nuovo standard per lagascromatografiadi processoI controlli di processo nei moderni stabilimenti petrolchimici sonofondamentali per garantire un corretto funzionamento dell’impianto egrande attenzione viene posta sia dalla tecnologia di processo che daireparti di manutenzione strumentale per assicurare misure analiticheaffidabili che consentano di esercire al meglio l’impianto.Gli analizzatori più comunemente utilizzati sugli impianti petrolchimicisono i Gascromatografi da processo, oggi in grado di soddisfare le piùesigenti richieste in termini di prestazioni elevate, semplicità di utilizzo,affidabilità, flessibilità e adattabilità ai più svariati impieghi industriali.24 n. 6 - Lug./Ago. ‘09

INDUSTRY reportI gascromatografi sono glianalizzatori più comunementeutilizzati in campo petrolchimico.Oltre a prestazioni sempre piùelevate, oggi questi sistemi dianalisi devono garantiresemplicità di utilizzo, affidabilitàe massima flessibilità per adattarsiai più svariati impieghi industriali.In risposta a queste esigenze,ABB ha sviluppato ungascromatografo on-line che, puressendo facile da usare, haprestazioni di livello analogo aiprodotti di alta gammaLa chimica di base in Italia oggi si concentrasulla produzione e sulla commercializzazionedei grandi monomeri dibase che derivano dalle attività di steam crackinge raffinazione. Si tratta di uno degli assiportanti della petrolchimica, dai numerosisbocchi applicativi. I prodotti che da qui derivanosono le olefine e le diolefine leggereovvero etilene, propilene, buteni e butadiene.Tali prodotti rappresentano, insieme ad aromatici,gas di sintesi (CO + H2) e acetilene, ipiù importanti “mattoni” dell’industria chimicae portano essenzialmente, sia direttamente,sia attraverso i loro intermedi, a polimeri dilargo impiego industriale [0]. I margini di redditivitàsu tali prodotti sono oggi fortementevariabili e dipendenti dal prezzo del petrolio:garantire un processo definito, ben controllatoe quindi ad alto rendimento diventa pertantouna necessità. I controlli di processo La gascromatografia di processo è una tecnica analiticache consente di separare e di misurare inlinea i componenti di una miscela in un processochimico. Gli analizzatori cromatografici,utilizzati per l’analisi in linea, devono funzionarein modo continuo e indipendentemente dall’interazioneumana, prelevando una quantitàfissa di campione, separando le sostanze chimichemediante adsorbimento o all’interno dicolonne cromatografiche, e misurando la concentrazionedi ciascuna sostanza per mezzodi uno o più rivelatori. Il gascromatografo daprocesso è particolarmente adatto per impiegonell’industria chimica, petrolchimica e dellaraffinazione del petrolio. La configurazione divalvole, colonne e detector per applicazioni inn. 6 - Lug./Ago.‘09 25

GRANDANGOLOABB - OTTIMIZZAZIONE DI ANALISI GAS CROMATOGRAFICHE DI PROCESSOtali industrie può essere variabile, come purel’analisi, che può spingersi in campi scala delleparti per milione o limitarsi a campi scala nelpercentuale. Tutti i campioni misurati dal gascromatografo sono gassosi o liquidi da vaporizzareprima dell’analisi. L’analizzatore è controllatoattraverso un’elettronica sofisticata chene temporizza i cicli, attivando valvole e colonneper separare i componenti quando questiattraversano il sistema. I tempi di ciclo sonouna limitazione della tecnica gas cromatograficaper le applicazioni che richiedono tempi dianalisi continui o estremamente rapidi. Ciononostante,la gascromatografia da processo(PGC) è la tecnica analitica più utilizzata per iLa gamma completadi gascromatografi da processocontrolli di processo in linea in virtù delle suecaratteristiche di economicità, flessibilità, sensibilità,affidabilità e per i numerosi campi diapplicabilità analitica.Negli ultimi anni abbiamo assistito ad un’importanteevoluzione nel campo della gascromatografiae i nuovi cromatografi sono diventatialtamente sofisticati, per far fronte allamaggiore complessità, rapidità e precisione dianalisi che oggi le industrie richiedono.La commutazione tra stream è ormai diventatauna normale tecnica, quando il forno del GC èuno solo. Inoltre per ridurre gli spazi di ingombro,i gascromatografi sono oggi assemblatiprevedendo la possibilità di alloggiare al propriointerno più di un rivelatore ed un numero divalvole e colonne sempre crescenti, così dapoter eseguire analisi di più componenti chimicicon lo stesso hardware. Questo approccioanalitico e costruttivo è sostenibile fintanto chenon va ad intaccare l’affidabilità delle analisi:l’aggiunta di un numero eccessivo di colonne,valvole e rivelatori all’interno dello stesso fornorischia infatti di compromettere la qualità dell’analisi.Questi analizzatori sono meno affidabili,più difficili da operare e mantenere rispettoagli strumenti del passato. Di norma, un correttoapproccio analitico e costruttivo devetenere conto che la semplicità migliora l’affidabilitàe sistemi complessi, scomposti nelle partiche li costituiscono, sono sempre più semplicida affrontare: sequenze e metodi cromatograficisono generalmente più facili da capire, operaree quindi mantenere.Tenere ben presenti questi due principi consentedi assicurarsi l’affidabilità del proprioanalizzatore nel lungo periodo.Un caso di studiosul polipropilene:La misura in oggetto richiede di analizzare ppm dimetanolo (CH 3COOH), monossido di carbonio(CO), diossido di carbonio (CO 2) e idrogeno (H 2) evalori percentuali di propano (C 3H 8). Questa analisiè al momento assicurata impiegando un rivelatoreTCD ed un FID, cinque valvole analitiche,dieci colonne, e operando l’analisi in un singoloforno isotermo. La misura delle ppm di CO e CO 2avviene attraverso una prima valvola di back-flusha vent, tre colonne, un metanatore e un rivelatorea ionizzazione di fiamma mentre le ppm di MeOHvengono misurate utilizzando una seconda valvoladi back-flush a vent, una valvola selettrice, trecolonne e mandando l’analita così separato sulmedesimo rivelatore FID. Per misurare i valori percentualidi propano serve una terza valvola diback-flush a vent, due colonne e un rivelatore atermo conducibilità, le ppm di idrogeno richiedonouna quarta valvola di back-flush a vent, duecolonne e il TCD. Si tratta di un’analisi complessaa dimensioni multiple che, come tutte le analisimulti-dimensionali, richiede il controllo di un vastonumero di variabili per fornire misure affidabili. Lastessa applicazione può essere semplificataimpiegando simultaneamente due forni isotermi.In questo caso, il Forno 1 conterrà tre valvole, seicolonne, un metanatore e il rivelatore FID per l’analisidelle ppm di CO, CO 2e metanolo, il Forno2 conterrà due valvole, quattro colonne ed il rivelatoreTCD per l’analisi di H 2e C 3H 8. Ogni fornoha una propria unità logica di controllo ed entramberiportano ad un’unità elettronica di controllo“master”: così che ogni forno dispone di un propriometodo analitico specifico per le misure dipertinenza. Ciascun metodo contiene duesequenze di misure per le analisi indipendenti deicomponenti. Ciò permette di scomporre un’analisicomplessa in sequenze analitiche più semplici enelle sue componenti di base. L’hardware è minimizzatoin ogni forno, tale approccio semplifical’analisi e ne aumenta l’affidabilità. Ogni forno consentedi impostare una propria ottimale temperaturaapplicativa, svincolata dalla temperatura delforno parallelo, il che garantisce una separazioneottimale. Da ultimo, grazie alle dimensioni ridotte26 n. 6 - Lug./Ago. ‘09

INDUSTRY reportdei 2 forni, lo spazio richiesto in cabina analisi saràparagonabile a quello richiesto da un gascromatografoconvenzionale a singolo forno. Capirefacilmente la logica di funzionamento di forni semplicie di metodi analitici semplici è il vantaggioprincipale dell’approccio analitico gas cromatograficobasato su forni multipli. Infatti ogni fornoha una sua sequenza analitica di funzionamento,che include le sequenze indipendenti d’analisi dicomponenti. La logica conseguenza è la possibilitàdi effettuare semplificate operazioni di troubleshooting:l’individuazione di errori e malfunzionamentidiventa quindi semplice e alla portata diogni operatore: le sequenze analitiche possonoessere individuate ed isolate con facilità, per identificarein maniera univoca la sorgente del malfunzionamento.Inoltre la possibilità di disporre nonsolo di un forno aggiuntivo parallelo, ma di piùforni multipli, ognuno dotato di una sua unità logicadi controllo, consentirà di operare su un metodoanalitico mentre gli altri eseguono le analisi.Forni multipli permettono di disporre di diversetemperature di applicazione, il che garantisce unaseparazione ottimale di un vasto numero di idrocarburia diverso punto di ebollizione, inoltre, possonoessere impiegate sequenze parallele diseparazione per accelerare i tempi di analisi.Disporre di forni multipli significa inoltre di avere adisposizione forni di backup da impiegare peranalisi particolarmente critiche o da tenere “on theshelf” come unità backup “calda” in caso di malfunzionamentodell’unità base. Processi critici cherichiedano controlli analitici di processo senzainterruzioni possono poi sfruttare la possibilità diridondare anche l’unità Master di controllo deiforni che in un moderno in impianto di produzioneverrà tenuta “on the shelf” come unità caldaper essere sostituita a quella difettosa, in attesache quest’ultima venga riparata. Il caso sopraesposto, relativo alle analisi di impurezze in propilene,ha evidenziato in modo chiaro i benefici derivantidal’impiego di due forni analitici sui quali èstata scomposta un’analisi complessa che, tradizionalmente,verrebbe risolta su un gascromatografoa singolo forno. Altre analisi di processopotranno essere scomposte in sequenze analitichepiù semplici, distribuite su più forni: in quest’otticaè importante riflettere su come la possibilitàdi controllare fino a quattro forni contemporaneamente,attraverso un'unica unità master dicontrollo, consentirà in futuro di affrontare un’innumerevolegamma di applicazioni gas cromatografichedi natura assai complessa, con tempi dianalisi ridotti, con sequenze di analisi semplificatee quindi più affidabili, di facile comprensione e dimanutenzione elementare.ConclusioniL’approccio delle analisi gas cromatografiche suforni multipli rappresenta l’immediato futuro permolte applicazioni gas cromatografiche da processopoiché consente di raggiungere risultati di analisipiù competitivi in termini di prestazioni. Inoltre lalogica dei forni multipli controllati da una singolaunità master consente un approccio modulare equindi modulabile, in un certo senso facilmente“espandibile”, in funzione delle esigenze di modificache si presentano di continuo in un modernoimpianto industriale. La serie di gascromatografi daprocesso PGC 5000 di ABB è in grado di controllarefino a quattro forni simultaneamente, operantiindividualmente o insieme, in varia combinazione,offrendo performance elevate, flessibilità e un’interfacciauomo-macchina molto intuitiva.Particolare di unGascromatografoBibliografia[0] Trifirò F., Quali strategie per la chimicadi fronte a materie prime diverse ?La Chmica & l’Industria, 90-9, 2008[1] Clemons, J., “Process Chromatography”,Encyclopedia of Analytical Chemistry,John Wiley, A-21-07, 2000[2] Converse, Jimmy G., “MultidemnsionalSample Manipulation Techniques”,AD-Symposium, New Orleans, LA, 1990[3] Converse, Jimmy G., “Improve On-lineChemical Concentration Measurement”,Chemical Engineering Progress,March 1991n. 6 - Lug./Ago.‘09 27