A. Cacciatore
Manuale di disegno di impianti chimici per tecnologie chimiche industriali
edizione
2010
ALFONSO CACCIATORE
Manuale di disegno di impianti chimici PER TECNOLOGIE CHIMICHE INDUSTRIALI Revisione parziale a cura di
MARIANO CALATOZZOLO
Manuale di disegno di impianti chimici Realizzazione editoriale: – – – –
Disegni e schemi: Luca Cacciatore Impaginazione: C.G.M. Revisione testi: Lunella Luzi Computer to plate: Grafica Piemontese
I temi e i disegni relativi agli anni dal 1997 in poi, sono a cura di Mariano Calatozzolo
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Stampato per conto della Casa editrice presso Grafica Piemontese, Volpiano (To), Italia. Printed in Italy.
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PRESENTAZIONE
L’opera che viene presentata si propone come sussidio didattico all’insegnamento degli Impianti e delle Tecnologie Chimiche Industriali nell’ambito degli Istituti di indiriz- zo chimico. Il Manuale si compone principalmente di tre parti. La prima ha come contenuto specifico la normativa della rappresentazione grafica degli impianti che servono ai processi chimici e cura singolarmente la strumentazione finalizzata a servire tali processi. La seconda parte comprende esempi d’applicazione della predetta normativa ad operazioni comportanti una determinata scelta d’impiantistica chimica piuttosto sem- plice; riservandosi l’esposizione di più complessi esempi in proposito agli schemi d’im- pianti chimici implicati dai temi su parti avanzate del programma d’insegnamento della disciplina inclusi nella terza parte del manuale. Tracce di risoluzione (non uniche, in generale, si noti!) di temi ministeriali assegnati agli esami di maturità tecnica industriale d’indirizzo chimico compongono tale terza parte. Questo manuale è in complesso un completo prontuario della didattica concernente il suo oggetto, col peculiare pregio di non essere un ibrido tra ciò che realisticamente si può capire e fare a livello scolastico ed i controproducenti, complicatissimi elaborati di schemi d’impianto cifrati derivanti da Uffici Tecnici di grandi complessi chimici indu- striali. L’Autore sarà grato a quei Docenti che vorranno suggerirgli eventuali migliorie.
PARTE PRIMA
L’UNIFICAZIONE NELLA RAPPRESENTAZIONE DEI PROCESSI CHIMICI
1.1
Generalità sull’unificazione industriale
Si indica genericamente unificazione o normalizzazione l’opera di riduzione a pochi tipi o campioni o simboli dei modi in cui gli uomini comunicano tra loro e dei mezzi con i quali si esplicano le attività lavorative, sia nella fase di previsione che in quella di attuazione. Il problema della unificazione, pur in rigoroso ambito industriale, si presenta di dimensioni enormi; sicché non lo si intende qui affrontare se non per lo specifico campo degli impianti chimici industriali ed, in particolare, in relazione all’esecuzione del disegno relativo. In Italia l’unificazione industriale è curata da un apposito Ente denominato UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione), che è un membro dell’ISO (International Standardization Organization), che, con sede a Ginevra, opera a livello mondiale. Associazione federata all’UNI è la UNICHIM (Associazione per l’Unificazione del Settore dell’industria chimica), che opera nel campo del disegno di impianti chimici. Per gli schemi, questo testo si attiene alla norme UNICHIM. In particolare le nuove parti introdotte con la presente edizione utilizzano la normativa attuale (Manuale N. 6, Impianti Chimici, Simboli e sigle per schemi e disegni, Edizione 1994 ), mentre quelle risalenti alla precedente edizione utilizzano norme antecedenti. Delle norme UNICHIM, alla fine della 1a parte, sono riportati, raggruppati in tavole, i simboli più significativi e nella rappresentazione grafica dei processi chimici faremo riferimento a tali simboli. È comunque da notare che, nonostante l’impegno degli enti preposti, il problema della unificazione è ancora lontano dall’essere definito e quindi, accanto alle norme ufficiali emanate dall’UNICHIM a livello nazionale, vengono usate norme più specifiche adottate da grandi imprese industriali del settore chimico.
2.1
Scopi dell’unificazione negli impianti chimici
Come si è detto nel paragrafo precedente, in Italia l’unificazione è curata dall’UNI, alle cui pubblicazioni rimandiamo perciò il lettore per tutte le norme particolari concernenti l’unificazione industriale. Qui di seguito passiamo in rassegna, relativamente agli impianti industriali chimici i maggiori settori per i quali si ritiene indispensabile una rigida applicazione delle norme UNI. L’unificazione è particolarmente importante: – nello stabilire le caratteristiche dei materiali da costruzione; – nel dimensionamento dei pezzi di più comune impiego per la costruzione degli apparecchi; – nei metodi di calcolo per apparecchi soggetti a sollecitazioni dovute a pressione e temperatura; – nel dimensionamento e nella scelta dei materiali di cui debbono essere fatti i semilavorati metallici, le lamiere, i profilati e i tubi; – nello stabilire i sistemi di filettatura e bulloneria; – nel determinare i tipi, le dimensioni e i materiali per organi accessori di tubazioni (flange, raccordi, valvole, ecc.); – nel fissare le pressioni nominali e i diametri nominali , da cui risulta definito un sistema di tubazione. La pressione nominale è un dato convenzionale (espresso in kg/cm2) in base al quale vengono dimensionati gli elementi dei sistemi di tubazioni, cioè i tubi propriamente detti, le flange, le valvole. La pressione nominale viene determinata in base alla pressione di esercizio e tiene conto, oltre che della pressione effettiva esistente nella tubazione, anche delle condizioni specifiche d’esercizio. Essa viene indicata con la notazione PN , seguita dal valore numerico; ad esempio PN 50. Il diametro nominale è anch’esso una indicazione convenzionale (espressa in mm), che serve quale riferimento univoco per individuare la grandezza dei singoli elementi accoppiabili per formare un sistema di tubazioni (tubi, flange, valvole). Esso viene indicato con la notazione DN , seguita dal valore numerico relativo; ad esempio DN 75. Per il disegno di impianti chimici, di cui, come si è detto, ci atterremo alle norme UNICHIM, è necessario che ci sia una unificazione riguardo: – alla denominazione ed al contenuto dei vari schemi utilizzati nell’industria chimica; – ai simboli utilizzati per i vari apparecchi; – alle sigle che specificano le apparecchiature; – alle modalità di rappresentazione dei dati di processo.
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3.1
La rappresentazione grafica dei processi chimici
Come in tutti i settori industriali, anche in quello chimico esiste il problema di registrare e comunicare il maggior numero di informazioni possibili attraverso rappresentazioni grafiche. Il modo in cui vengono fatte le varie rappresentazioni e i disegni utilizzati sono anch’essi oggetto delle norme UNICHIM e si differenziano tra loro a seconda degli obiettivi per i quali sono stati tracciati. Di tali rappresentazioni daremo nella parte seconda degli esempi illustrativi, riguardanti gli apparecchi e le operazioni chimiche, oggetto di studio del programma di impianti chimici; altri esempi verranno forniti nella parte terza, inerente lo svolgimento di alcuni temi ministeriali, oggetto delle prove di esame di maturità. Qui di seguito elenchiamo le varie rappresentazioni, specificandone sinteticamente gli obiettivi.
DIAGRAMMA A BLOCCHI È lo schema più semplice e si può considerare la prima rappresentazione grafica di un processo chimico. Questa prima rappresentazione si limita a far notare la successione delle fasi o stadi fondamentali del ciclo operativo, senza preoccuparsi di fornire l’esatto numero degli apparecchi e di delinearne il tipo. Tale schema non necessita dunque di simboli unificati; tuttavia ogni fase viene rappresentata da un rettangolo o da un cerchio all’interno del quale viene scritto il nome dell’operazione. La sequenza delle fasi è poi indicata da linee di collegamento con frecce. Per avere una migliore possibilità di comprensione del processo, il diagramma può essere quantificato; può portare, cioè, i flussi quantitativi di materie e prodotti con un primo bilancio generale.
SCHEMA SEMPLIFICATO O DI PRINCIPIO Questo schema mette in evidenza la successione degli apparecchi che costituiscono l’impianto, cioè le caselle dello schema precedente vengono disaggregate in operazioni più elementari alle quali corrispondono precise apparecchiature rappresentate con simboli raccomandati dalle UNICHIM (ad esempio simboli per scambiatori, riportati nella tavola IX ). I collegamenti tra le varie caselle vengono sostituiti da quelli che nell’impianto sono le tubazioni. In questo schema non vano indicati gli organi di intercettazione o regolazione, gli strumenti di misura e di controllo, le linee delle tubazioni dei cicli sussidiari riguardanti i servizi. Come il diagramma a blocchi, lo schema semplificato può essere, a volte, quantificato.
SCHEMA DI PROCESSO Questo schema, come specificano le norme UNICHIM, ha lo scopo principale di far comprendere con immediatezza le caratteristiche proprie di un processo industriale. Nella versione più completa e in accordo con le norme UNICHIM, tale schema contiene: – le apparecchiature principali; – le linee di processo (non quelle secondarie, di avviamento, svuotamento, ecc.); – la strumentazione più significativa del processo; – il bilancio dei materiali, che è preferibile riportare su foglio allegato; – gli indici di stato fisico (temperatura, pressione) nei punti principali; – eventuale indicazione sulla elevazione minima delle apparecchiature per il loro funzionamento; – eventuali annotazioni utili per la fase di montaggio. Per quanto concerne simbologia e siglatura si rimanda alle norme UNICHIM. Comunque i particolari delle apparecchiature, quali i setti, i diaframmi, ecc., possono essere riportati qualora si ritenga utile porli in evidenza ai fini della comprensione della funzionalità dell’impianto.
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SCHEMA DI MARCIA Questo, che rappresenta lo schema d’impianto completo, è più dettagliato di quello di processo e dovrebbe essere elaborato successivamente a questo. Esso deve essere in grado di fornire tutte le indicazioni per l’esercizio dell’impianto; ciò che comporta il comprendere: – le apparecchiature con sigla, funzione ed eventuale elevazione minima; – le linee di processo e di servizio (acqua, vapore, scarichi, ecc.); – le linee di avviamento, svuotamento, smaltimento prodotti da rilavorare, spurghi; – la strumentazione completa, le linee di collegamento con gli strumenti e i relativi azionamenti, allarmi, controlli, ecc.; – le valvole, i dispositivi di sicurezza e i by-pass. La compilazione dello schema di marcia che riporti tutto quanto sopra elencato, può diventare molto complessa ed è anche di difficile lettura; il suo tracciamento comporta che si tenga presente che lo stesso dovrà servire non solo da guida per il montaggio dei collegamenti tra i vari elementi dell’impianto, ma anche per la conduzione dell’impianto stesso. Si comprende quindi che per tracciare un tale schema è necessario passare per una fase di vera progettazione. Per quanto riguarda i problemi grafici, essi non si discostano da quelli in uso per lo schema di processo; unica differenza è che anche le linee vanno siglate e la strumentazione richiede una maggiore completezza. Per semplicità dunque noi in quest’ambito ci atterremo agli schemi di processo nel rappresentare graficamente gli schemi d’impianto.
4.1
Il controllo nei processi chimici
Per una discussione più approfondita su questo argomento si rimanda alla relazione allegata al tema di maturità del 1987 per la sperimentazione Deuterio.
In ogni processo chimico per la sicurezza degli operatori e dell’ambiente, per la buona conduzione dell’impianto e per la riuscita del processo stesso è necessario controllare le variabili operative. Tale controllo consiste sia nella misura, cioè nella rilevazione dei valori delle variabili, mediante opportuni strumenti, sia nella regolazione, cioè nell’intervento manuale o automatico, in modo da riportare le variabili al valore desiderato. Le variabili più comuni da tenere sotto controllo sono: – portata; – temperatura; – pressione; – livello. Esistono molte altre variabili, come ad esempio densità e pH di una soluzione, ma esse sono specifiche per casi particolari di lavorazioni e pertanto verranno prese in considerazione solamente nelle operazioni chimiche che le prevedono. La misura delle variabili può essere automatizzata mediante l’impiego di strumenti capaci di tradurre in segnale elettrico, pneumatico, digitale, ecc., il valore della variabile da controllare. La regolazione richiede apparecchiature capaci sia di confrontare il valore della variabile rilevata con il valore prefissato, sia di intervenire sui parametri da cui tali variabili dipendono per correggerne lo scostamento dal valore prefissato o per impartire variazioni con sequenze e tempi programmati. Il controllo automatico, grazie ai progressi dell’elettronica e dell’informatica industriale, sebbene richieda maggiori investimenti rispetto a quello manuale, è sempre più presente negli impianti chimici per i molti vantaggi che comporta, tra cui, in particolare, una maggiore uniformità qualitativa dei prodotti ottenuti e la possibilità di centralizzare i comandi e di evitare gli errori connessi alle operazioni manuali. È insostituibile negli impianti continui, mentre è sempre più presente negli impianti discontinui, ed anche negli impianti pilota e di laboratorio. La moderna strumentazione automatica è prevalentemente di tipo elettronico, spesso dotata di microprocessore e programmabile, ed è quindi in grado di assolvere a numerose funzioni, oltre la semplice regolazione. I regolatori pneumatici hanno ormai limitata applicazione per il maggior costo e per le minori prestazioni. Sono, invece, molto diffuse le valvole con servomotori pneumatici, che richiedono quindi dei segnali in pressione, in genere 20÷100 kPa. L’adozione di servomotori pneumatici evita i pericoli derivanti da eventuali scintille elettriche ed i relativi segnali sono immuni da interferenze, anche se non sono in grado di coprire elevate distanze. In prossimità degli impianti, opportuni trasduttori trasformano i segnali elettrici in pneumatici.
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5.1
I componenti di un anello di regolazione
In ogni processo o, in particolare, in ogni situazione di controllo bisogna tener conto dei seguenti fattori: a) variabile controllata e/o misurata: è la grandezza di cui si vuole conoscere la misura e che si vuole mantenere ad un valore prescritto, detto di set-point ; b) variabile controllante o manipolata: è la grandezza da cui dipende la controllata e su cui si agisce per controllarla; c) variabili indipendenti o disturbi: sono quei fattori sui cui non agisce l’anello di regolazione e che influenzano la controllata. L’inevitabile presenza dei disturbi è tra le principali cause della necessità di ricorrere al controllo automatico. Le variabili indipendenti e controllanti sono considerate, logicamente e non fisicamente, in ingresso al processo, le controllate sono considerate in uscita. Un esempio potrà chiarire quanto ora si è detto. Supponiamo che in un serbatoio D (Fig. 1/I) giunga una sostanza liquida con portata F1 e che la stessa possa essere scaricata per mezzo della valvola V . In tale serbatoio si vuole mantenere il livello constante H . È evidente che bisognerà agire sulla valvola V , scaricando una portata F 2 in modo che il livello del liquido nel serbatoio si possa mantenere al valore prefissato H .
Fig. 1/I Nel nostro caso si ha quindi: a ) grandezza o variabile controllata: livello H del serbatoio; b ) grandezza o variabile controllante: portata allo scarico F2; c ) grandezza o variabile indipendente: portata di alimentazione F1. Se la regolazione è di tipo manuale, è l’operatore che agisce sulla valvola V in base allo scostamento del livello H dal valore desiderato. Se la regolazione è di tipo automatico, il regolatore acquisisce il segnale dal sensore di livello, lo confronta con il valore di set point e, in base all’errore riscontrato, agisce sulla valvola. Tale sistema di regolazione, che simula l’azione umana, è uno dei più semplici ed è detto in retroazione (o feed back ) in quanto, come si può vedere dallo schema logico riportato in Fig. 2/I, è costituito da un anello chiuso in cui, in base all’entità o anche alla durata dell’errore, il regolatore agisce in retroazione sulla variabile in ingresso al processo che influenza la variabile controllata. Set point
Regolatore
Organo di regolazione
Variabile controllante
Processo
Fig. 2/I
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Variabile controllata
Sensore
Le funzioni dei componenti essenziali di tale anello sono le seguenti. Strumenti di misura . Sono apparati che consentono di rilevare il valore della variabile controllata. Possono essere o indicatori , cioè «a lettura» (nel qual caso il valore viene rilevato dall’operatore), o registratori (in tal caso il valore della variabile viene opportunamente registrato) o contemporaneamente indicatori-registratori . Nello strumento di misura, oltre al sensore che rileva la grandezza da misurare, è generalmente presente un dispositivo, detto trasduttore , che ha il compito di convertire il segnale prodotto dal sensore in uno di natura più facilmente trasferibile ed utilizzabile (p.e. da pressione a corrente elettrica, da analogico a digitale, ecc.). Controllori o strumenti di regolazione .
Ricevono il segnale della variabile misurata, lo confrontano con il valore di set point, ricavano l’errore ed in base ad appositi parametri, opportunamente impostati, elaborano il segnale di risposta per l’organo di regolazione. Organi di regolazione .
Sono le apparecchiature che ricevono il segnale dal controllore ed intervengono modificando il valore della variabile controllata. Questi organi sono in generale delle valvole pneumatiche.
6.1
Esempi di strumenti di misura e di organi di regolazione
Nel paragrafo precedente si sono elencati e si è detto dello scopo dei componenti degli anelli di regolazione. Pur non entrando nei dettagli (la qual cosa esula dallo scopo prefissoci), vogliamo, qui di seguito, fornire alcuni particolari sull’impiego di tali strumenti e organi.
STRUMENTI DI MISURA Come si è detto, sono quelle apparecchiature che permettono di misurare le variabili che si vogliono tenere sotto controllo. Comunque i misuratori delle principali variabili di un processo sono i misuratori di portate, di temperature, di pressione e di livello. Fra i principali apparecchi misuratori di portata di pratico impiego si hanno: i contatori a tur- bina (usati per piccole portate 0,035÷75m3 /h); i contatori a mulinello (per portate da 3,5 a 300 m3 /h e pressioni massime di 12 bar) e i contatori volumetrici . Per i fluidi passanti, sotto pressione, in tubazioni sono usati contatori con organi di strozzamento, quali il venturimetro e i boccagli. I più comuni misuratori di temperatura sono: i termometri a dilatazione dei fluidi (aria, azoto, idrogeno per basse temperature; alcool etilico, toluolo, mercurio per temperature da -100 °C a oltre 500 °C); termometri termoelettrici (termocoppie per temperature da -200 °C a +2000 °C) e a resistenza elettrica , il cui campo d’impiego varia in relazione al materiale costituente la resistenza elettrica (per esempio il platino agisce nell’intorno da -190 °C a 650 °C ed il nichel nell’intervallo -50 °C ÷ +200 °C). Dei misuratori di pressione sono comunemente impiegati manometri ad U (per pressioni non elevate e per la misura del grado di vuoto); manometri a molla tipo Bourdon (per pressioni anche elevate). I misuratori di livello praticamente impiegati si basano tutti su principi molto semplici. Il livello da misurare è solitamente quello dei liquidi nei serbatoi. In Fig. 3/l sono rappresentati i principali tipi di misuratori a livello.
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Fig. 3/l. Precisamente nel caso a ) si vede un indicatore a galleggiante , il cui funzionamento non richiede spiegazioni; nel caso b ) si ha un indicatore a tubo di vetro , costituito da un tubo metallico con finestre di vetro resistente, collegato col serbatoio per mezzo di valvole che permettono di escluderlo, se necessario; nel caso c ) un tipo a gorgogliamento . In esso da A viene insufflata aria nel fondo del serbatoio, dalla misura h della pressione dell’aria, necessaria perché questa gorgogli, si risale all’altezza H del liquido nel serbatoio. Diaframma
Servomotore
Entrata Aria
Indicatore Posizione Stelo Flangia Premistoppa
Diaframma Indicatore Posizione
Entrata Aria
Stelo
Corpo
Fig. 4/l.
Fig. 5/l.
ORGANI DI REGOLAZIONE Gli organi di regolazione rappresentano l’elemento finale della regolazione. Tra i più usati di questi «organi» nella regolazione pneumatica si hanno le valvole a diaframma , cioè valvole capaci di far assumere al loro otturatore una posizione proporzionale alla pressione dell’aria che ad esse arriva dal regolatore.
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Una valvola a diaframma è essenzialmente costituita dal «servomotore» e dal «corpo di valvola». Il servomotore riceve l’aria compressa di comando proveniente dal regolatore. È tale aria che agendo sulla superficie del diaframma (membrana elastica di gomma) genera una forza contrastata dalla molla. La forza risultante provoca lo spostamento dello stelo della valvola. Nel corpo di valvola, l’otturatore, per lo spostamento dello stelo, varia la sezione di passaggio del fluido e quindi la portata. La valvola pneumatica, rappresentata in Fig. 4/I, avente il diaframma sopra la molla, è detta «ad aria chiude»: lo stelo si abbassa e l’otturatore interrompe il flusso dell’aumentare della pressione dell’aria. Quella rappresentata in Fig. 5/I, avente il diaframma sotto la molla è detta «ad aria apre»: la valvola rimane chiusa in mancanza di aria. La scelta tra un sistema e l’altro è in relazione alle condizioni di sicurezza richieste nel caso in cui nella valvola non giunga più l’aria. Infatti per azione della molla nel primo caso la valvola rimarrà totalmente aperta e nel secondo caso tutta chiusa. Le valvole pneumatiche non richiedono molta manutenzione; comunque, poiché il loro funzionamento è condizionato dall’aria compressa, per evitare una mancanza di regolazione, s’introduce un by-pass in grado di permettere la regolazione manuale, al posto di quella automatica.
7.1
Esempi di strumentazione applicati a parti di processi chimici
Vediamo ora alcuni esempi tipici di strumentazione in opera in parti d’impianto. In alcuni esempi è riportato il by-pass delle valvole di regolazione. Tale particolare è da riportare obbligatoriamente negli schemi di marcia, non negli usuali schemi di processo. Può comunque essere utile ricordare in sede di relazione o nella legenda dello schema che tutte le valvole di regolazione sono usualmente dotate di by-pass con valvola manuale. Controllo della portata di una pompa centrifuga (Fig.
6/I)
Dal serbatoio D viene prelevato un liquido per mezzo della pompa centrifuga G. La regolazione della portata si ha sulla mandata e il by-pass, come si è detto nel paragrafo 6.1, permette la eventuale regolazione manuale. Il rubinetto a maschio, posto sull’aspirazione della pompa G , verrà azionato, nel caso di interruzione del flusso, susseguentemente alla valvola posta sulla mandata, in modo che la pompa rimanga piena di liquido e risulti poi più facile il successivo innescamento.
Fig. 6/I.
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Controllo della portata di una pompa a stantuffo (Fig.
7/I)
Il liquido dal serbatoio D è prelevato dalla pompa G . Un aumento di portata, rispetto a quella prefissata, comporta la chiusura della valvola a membrana, per cui una determinata quantità di liquido ritorna sull’aspirazione della pompa. Il sistema è quindi con by-pass sull’aspirazione.
Fig. 7/I. Nei precedenti esempi di anelli di regolazione (Fig. 6/I e 7/I), la variabile controllata e la controllante coincidono in quanto corrispondono sempre alla stessa portata detta, perciò, autoregolata . Controllo della temperatura applicata ad uno scambiatore (Fig.
8/I)
Lo scopo di uno scambiatore è quello di permettere il riscaldamento o il raffreddamento di un fluido per mezzo di un altro fluido. Lo scambiatore in figura è a fascio tubiero verticale: da A entra il fluido da riscaldare che esce, riscaldato, da B .
Fig. 8/I. Il controllo di una temperatura si può effettuare agendo sulla portata del fluido riscaldante o refrigerante, oppure agendo sulla superficie dello scambiatore, variando ad esempio il livello del liquido in esso contenuto. Allo scopo occorrerà modificare la portata di scarico del liquido da riscaldare o da raffreddare, se la sua portata d’ingresso è costante. Il primo sistema è quello più comune ed è quello applicato in Fig. 8/I. Supponiamo che il riscaldamento si faccia con vapore saturo, che cede il suo calore latente e viene scaricato come condensa. Se il fluido da riscaldare deve essere portato alla temperatura prefissata ed indicata dal misuratore TI , questo è collegato con la valvola d’ingresso del vapore, la cui variazione della portata determinerà il riscaldamento alla temperatura prefissata; in figura è previsto anche il by-pass per eventuale interruzione del meccanismo.
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PARTE TERZA
TEMI MINISTERIALI PER LA PROVA SCRITTO-GRAFICA DI TECNOLOGIE CHIMICHE INDUSTRIALI E DI IMPIANTI CHIMICI (VECCHIO ORDINAMENTO)
M417 - ESAME DI STATO DI ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE
Indirizzo: CHIMICO CORSO DI ORDINAMENTO
TEMA DI TECNOLOGIE CHIMICHE INDUSTRIALI, PRINCIPI DI AUTOMAZIONE E DI ORGANIZZAZIONE INDUSTRIALE Sessione ordinaria 2005 Testo valevole per i corsi di ordinamento e per i corsi del Progetto Assistito “SIRIO” — CHIMICO
Il candidato realizzi il disegno dello schema descritto nel primo quesito e, a sua scelta, risponda a due degli altri tre proposti.
226
1.
In un “reattore discontinuo ben agitato” (well stirred tank reactor) un liquido reagisce con un gas grazie ad un catalizzatore allo stato solido, finemente suddiviso, disperso nella massa liquida. Il liquido, già miscelato con il catalizzatore, viene introdotto nel reattore durante la preparazione della reazione. Successivamente il reattore viene portato alla temperatura di reazione con un circuito di riscaldamento alimentato da vapor d’acqua. Infine il gas gorgoglia nel liquido durante tutto il tempo di svolgimento della reazione stessa. Un agitatore rotante mantiene in sospensione il catalizzatore oltre a favorire la dispersione delle bolle di gas nel liquido. La reazione, esotermica, viene condotta a pressione superiore a quella atmosferica ed è mantenuta a temperatura costante con un circuito di refrigerazione alimentato con acqua. Il prodotto che si forma rimane liquido alla temperatura di esercizio della reazione. Al termine di essa il contenuto del reattore viene inviato alla filtrazione (filtro pressa) per separare e recuperare il catalizzatore. Il prodotto liquido procede verso altre lavorazioni senza essere refrigerato. Il candidato, tenendo presente le caratteristiche dell’operazione proposta, disegni lo schema dell’impianto, completo delle apparecchiature accessorie (pompe, valvole, serbatoi, ecc.), e delle regolazioni automatiche principali, seguendo per quanto possibile la normativa UNICHIM.
2.
Il prodotto organico uscente dal fondo di una colonna di rettifica continua viene refrigerato prima di essere inviato allo stoccaggio. I dati sono i seguenti: a) La portata di liquido L = 0,45 kg/s b) Il suo calore specifico Cps = 2,3 kJ/(kg °C) c) La sua temperatura iniziale Ti = 115 °C d) La sua temperatura finale Tf = 35 °C e) La temperatura iniziale dell’acqua di raffreddamento Tai = 21 °C f) La temperatura finale dell’acqua Taf = 85 °C g) Il calore specifico dell’acqua Cpa = 4,18 kJ/(kg °C) h) Il coefficiente globale di scambio termico Utot = 1,5 kW/(m2 °C)
Con questi dati il candidato calcoli l’area dello scambiatore di calore idoneo allo scopo e la portata di acqua refrigerante. Il candidato può, se lo ritiene opportuno, ipotizzare un utilizzo del calore recuperato modificando, a suo giudizio, alcuni dei dati del problema proposto. 3.
Il candidato descriva, a sua libera scelta, gli aspetti biochimici di un processo fermentativo a lui noto evidenziando gli aspetti impiantistici di tale processo ed i problemi relativi allo smaltimento dei suoi sottoprodotti.
4.
L’idrogeno come fonte di energia in un imminente futuro. Il candidato, in base alle conoscenze acquisite nel corso degli studi, illustri i metodi attualmente impiegabili per la produzione di tale elemento, con particolare riguardo al problema delle emissioni dei “gas serra”.
Durata massima della prova: 6 ore. Durante lo svolgimento della prova è consentito soltanto l’uso: – di manuali relativi alle simbologie UNICHIM; – di tabelle con dati numerici e diagrammi relativi a parametri chimico-fisici; – di mascherine da disegno e di calcolatrici tascabili non programmabili. Non è consentito lasciare l’Istituto prima che siano trascorse 3 ore dalla dettatura del tema.
Quesito n. 1 Richiede di tracciare lo schema di processo di un impianto discontinuo di idrogenazione catalitica, con recupero del catalizzatore per filtrazione. Non è richiesta una relazione esplicativa dello schema. In questa sede la si allega comunque per una migliore comprensione e come guida per la discussione dell’elaborato in sede di colloquio. In base a quanto indicato dal tema si sono effettuate le scelte seguenti: –
Si è dotato lo schema di un serbatoio (D3) di miscelazione del catalizzatore con parte dello stesso liquido da idrogenare, per introdurre nel reattore il catalizzatore già disperso nella massa liquida. Si è anche previsto un serpentino di riscaldamento per favorire la dispersione del catalizzatore.
–
Si è previsto un compressore (P1) per l’idrogeno, nell’ipotesi che quest’ultimo non fosse disponibile ad adeguata pressione (ma non è sbagliato presupporre che il gas sia fornito già ad adeguata pressione).
–
Si è dotato il reattore (R1) di un serpentino di scambio in cui fluisce vapore per il riscaldamento e acqua per il raffreddamento. Si è scelto un serpentino per il miglior coefficiente di scambio e per il più agevole dimensionamento della superficie di scambio, ma la camicia sarebbe stata comunque accettabile.
–
Poiché le miscele idrogeno-ossigeno possono esplodere facilmente, si è dotato il reattore (R1) di un eiettore per evacuare l’aria prima dell’immissione dell’idrogeno. In alternativa si potrebbe adottare una bonifica con gas inerte (azoto). Sempre per motivi di sicurezza, si è dotato il reattore di disco di rottura e di valvola di sicurezza, dotazione obbligatoria essendo sede di una reazione esotermica condotta in pressione con un gas altamente infiammabile. Così pure sarà presente un rompifiamma (non riportato nello schema) sulla linea di spurgo. Tutti gli effluenti gassosi sono inviati in torcia (ciò non esclude precedenti trattamenti di abbattimento).
–
Per non appesantire lo schema oltre le proprie finalità didattiche, la regolazione automatica è stata limitata sostanzialmente alle fasi continue. Sono state inserite delle valvole a comando manuale (HV) per il controllo delle sequenze operative tipiche di un processo discontinuo. Per gestire totalmente in automatico il processo bisognerebbe prevedere dei PLC (controllori a logica programmabile) o un sistema computerizzato.
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Lo schema è riportato a pag. 234. Trattandosi di un processo discontinuo, il funzionamento è scandito dalla successione delle fasi operative. Preparazione della dispersione catalizzatore-liquido
Carico del liquido in D3. Valvole aperte: HV1, HV4 da A a C; pompa G1 in marcia. Si carica fino a che l’indicatore di peso (WI1) non segna il valore voluto. Si avvia l’agitatore. Si attiva il riscaldamento in D3, controllato dall’anello TIC1. Carico del catalizzatore in D3: si apre la serranda HV3, dalla tramoggia D2 si carica il catalizzatore solido fino a che l’indicatore di peso (WI1) non segna il valore voluto. Carico del reattore R1
Trasferimento della dispersione del catalizzatore. Valvole aperte: HV2, HV4 da A a B, pompa G1 in marcia. Carico del liquido da idrogenare. Valvole aperte: HV1, HV4 da A a B, pompa G1 in marcia. Il contatore e controllore di portata (FQIC1) blocca l’afflusso del liquido dopo il passaggio del volume voluto. Si avvia l’agitatore. Si attiva il riscaldamento in R1, controllato dall’anello TRC2. Spurgo dell’aria da R1. Valvola aperta: HV6. Si attiva l’eiettore J1 tramite il controllo della portata del vapore (FIC2). Idrogenazione
Carico dell’idrogeno. Fermato l’eiettore J1, si mette in marcia il compressore P1 e l’idrogeno comincia a fluire in R1 e la reazione ha inizio. Il compressore carica il serbatoio polmone D1, il controllo di pressione PIC1, di tipo on-off, agisce sul motore del compressore. Da D1 il gas va al reattore, la cui pressione è controllata dall’anello PIC2. Controllo dalla temperatura. Essendo la reazione esotermica, al suo procedere il sistema di controllo ferma l’afflusso di vapore ed attiva quello dell’acqua di raffreddamento. Arresto del reattore e filtrazione
Terminata la reazione, si ferma il flusso dell’idrogeno, si spurga quello residuo (valvola HV7 aperta). Se del caso, è possibile completare lo spurgo utilizzando l’eiettore J1. In relazione alle condizioni operative richieste è possibile raffreddare la massa di reazione in modo che la temperatura sia compatibile con la filtrazione, pur non facendo aumentare troppo la viscosità. Sempre con l’agitatore in marcia, si apre la valvola HV5 e si avvia la pompa G2. L’anello di regolazione PIC3 previene possibili sovrapressioni per l’intasamento del filtro F1. Il funzionamento degli anelli di regolazione è riassunto nella seguente tabella (si sono escluse le regolazioni manuali):
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ANELLO
VARIABILE CONTROLLATA E / O MISURATA
VARIABILE CONTROLLANTE
AZIONE DEL REGOLATORE SE SI SUPERA IL SET POINT
FQIC1
Volume alimentazione a R1
Volume alimentazione a R1
Chiude la valvola
FIC2
Portata vapore a J1
Portata vapore a J1
Chiude la valvola
PIC1
Pressione in D1
Portata idrogeno a D1
Ferma il compressore
PIC2
Pressione in R1
Portata idrogeno a R1
Chiude la valvola
PIC3
Pressione filtrazione
Portata sospensione a F1
Chiude la valvola
TIC1
Temperatura in D3
Portata vapore di riscaldamento
Chiude la valvola
TRC2
Temperatura in R1
Portata vapore di riscaldamento e acqua di raffreddamento
Apre la valvola dell’acqua, chiude quella del vapore
Quesito n. 2 Conviene impostare il bilancio di calore sull’uguaglianza: Q ceduto = Q acquistato + perdite
Si trascurano le perdite, anche perché non citate dal tema. Dai dati è possibile calcolare direttamente il calore ceduto dal prodotto di coda. Da questo, poi, è possibile calcolare la portata dell’acqua di raffreddamento e l’area di scambio, nell’ordine che si vuole. Il tema chiede anche di ipotizzare possibili recuperi termici. Trattandosi del prodotto di coda di una colonna di distillazione, un tipico recupero termico sarebbe sicuramente l’utilizzo per il preriscaldamento dell’alimentazione della stessa colonna di distillazione.
Potenza termica scambiata
Trascurando le perdite, corrisponde al calore ceduto dal prodotto di coda: Q = L·Cps·(Tf – Ti) = 0,45 (kg/s)·2,3 (kJ/kg°C)·(115 – 35)(°C) = 82,8 kW Portata dell’acqua di raffreddamento
La potenza termica scambiata corrisponde al calore ceduto dall’acqua: Fa =
Q
82,8 kW . 4,18 (kJ / kg °C) (85 – 21) (°C)
–––––––––––––––––––– = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––= 0,310 kg / s Cpa (Tia – Tfa)
Area della superficie di scambio
Premesso che è sempre più vantaggioso operare in controcorrente, dall’analisi delle temperature d’ingresso e d’uscita dei fluidi indicate dal tema si deduce che lo scambio può avvenire solo in controcorrente, essendo Tf < Taf. Riportando i dati in forma tabellare si possono calcolare i ∆T di scambio alle estremità dello scambiatore e calcolare il ∆T medio logaritmico per la controcorrente. lato caldo Prodotto di coda 115 Acqua refrigerante 85 –––––––––––––– 30 ∆T, °C
lato freddo 35 21 –––––––––––––– 14
∆T ml
∆T C – ∆ T F 30 – 14 = –––––––––––––– = –––––––––––––– = 21,0°C ∆T C 30 In –––––––– In –––––––– ∆T F 14
Ora è possibile calcolare l’area di scambio dall’equazione di trasporto del calore: Q 82,8 kW A = –––––––––– = –––––––––––––––––––––––––––––= 2,63 m2 Utot . ∆ T 1,5 (kW / m2 °C) . 21°C
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Quesito n. 3 Tra i diversi processi fermentativi che possono essere oggetto di studio si sceglie di svilup- pare la produzione di un antibiotico, la penicillina G.
La produzione di penicillina G riveste particolare importanza non solo per la sua attività farmacologica ma anche perché ormai è diventata un’importante materia prima per la produzione di diversi tipi di penicilline e cefalosporine semisintetiche che permettono di superare il continuo insorgere della resistenza nei ceppi batterici responsabili delle patologie che si vogliono combattere. Le penicilline naturali sono prodotte da diverse specie fungine, soprattutto del genere Penicillium e Aspergillus , e differiscono tra loro per la struttura della catena laterale (v. tab.). Per la penicillina G sono stati selezionati da tempo ceppi di Penicillium Chrysogenum con cui si riescono ad ottenere concentrazioni di alcune decine di grammi per litro. Penicillina generica
Gruppo R
Penicillina Penicillina G
Isopenicillina N
Aspetti biochimici
La penicillina è un metabolita secondario, la cui formazione non è collegata direttamente alla crescita del fungo. Comincia a formarsi alla fine della fase di crescita illimitata (log fase) e prosegue in quella stazionaria (idiofase). Ne derivano esigenze colturali diverse per la fase iniziale, in cui si deve favorire la crescita del fungo, e per quella finale in cui si vuole massimizzare la produzione dello specifico antibiotico. Tipicamente, la base per il terreno di coltura è costituita dalle acque di macerazione del mais (corn steep liquor ), ricco di amminoacidi, sali minerali, vitamine e con un buon contenuto di zuccheri. Altri componenti importanti sono olio o farina di soia e di pesce, lattosio, glucosio, amidi e acido fenilacetico, il precursore della catena laterale. La formazione della penicillina è inibita dalla presenza di glucosio (repressione da catabolita) e in pratica non ha luogo finché c’è un eccesso di fonti di carbonio. Quindi il dosaggio iniziale del glucosio è fatto in modo da assicurare la crescita voluta. Nella fase di produzione dell’antibiotico è comunque necessario assicurare una fonte di carbonio. Un tempo si utilizzava il lattosio (disaccaride galattosio-glucosio), aggiunto fin dall’inizio, dato che anche per questa sostanza vale la repressione catabolica, per cui nel brodo si idrolizza molto lentamente. Attualmente, grazie anche al miglioramento dei sistemi di controllo, si preferiscono piccole aggiunte (fed-batch), perfettamente dosate, del più economico glucosio. La biosintesi della penicillina comincia dall’acido α-L-amminoadipico, che ritroviamo nella catena laterale dell’isopenicillina N. Questo composto è anche un intermedio della biosintesi della lisina, la cui formazione è regolata da un controllo enzimatico in retroazione (feedback ), cioè la presenza del prodotto, la lisina, inibisce la via biosintetica. Quindi si deve evitare la presenza di lisina nel brodo di coltura. L’acido α-L-amminoadipico forma prima un dipeptide con la L-cisteina e, poi, con la L-valina un tripeptide che ciclizza a dare la isopenicillina N. Segue la transacilazione per la presenza nel brodo di coltura dell’acido fenilacetico e si arriva alla penicillina G. La produzione della penicillina non continua a tempo indeterminato. Anche la sua biosintesi è regolata in retroazione: man mano che si accumula nel brodo aumenta l’inibizione alla sua sintesi. In pratica, la fase produttiva dura alcuni giorni.
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Aspetti impiantistici
Lo schema a blocchi del processo produttivo è riportato nella figura accanto. Dopo la fermentazione si separa la biomassa e inizia il recupero della penicillina che deve tener conto delle caratteristiche della sostanza (è un acido carbossilico di media forza). Per poterla estrarre dalla fase acquosa, si acidifica per spostare l’equilibrio verso la forma indissociata, ma si deve raffreddare a bassa temperatura perché la penicillina non è stabile in ambiente acido. Per lo stesso motivo si usano degli estrattori centrifughi ad alta efficienza per minimizzare la permanenza a basso pH. Dopo l’estrazione si tratta con una base acquosa e, aggiustando il pH, si fa precipitare. Segue la separazione ed il lavaggio del precipitato cristallino che poi viene essiccato.
Terreno
Inoculo
Fermentazione Aria
Filtrazione
Raffreddamento Acido Solvente
Smaltimento sottoprodotti Il tema parla di sottoprodotti, non di reflui, quindi, in questo caso, ci si può limitare al trattamento della biomassa, escludendo il trattamento delle acque reflue.
Biomassa
Estrazione
Brodo esausto
Estratto Base acquosa
Precipitazione
La biomassa, in questo caso il micelio Lavaggio Acque madri Centrifugazione fungino, è il principale sottoprodotto di molti processi di fermentazione, anzi, in alcuni processi è il prodotto principale. Per sua stessa natura, ha un buon conteEssiccamento nuto di sostanze bioattive, quali proteine, vitamine, ormoni, rendendolo, p.e., un integratore di valore per l’alimentazione animale. In questo caso, la presenza di penicilliPenicillina G sale sodico na nel micelio, ne rende impossibile l’utilizzo e difficile lo smaltimento. Schema a blocchi per la produzione di penicillina I trattamenti biologici tradizionali non sono applicabili per l’attività antibiotica propria della penicillina. Possibili trattamenti possono essere di tipo chimico-fisico o biologico. I trattamenti chimicofisici prevedono l’acidificazione seguita dall’essiccamento ad alta temperatura per provocare la decomposizione della penicillina; comportano però un certo dispendio energetico. I trattamenti biologici, più recenti, utilizzano ceppi di microrganismi resistenti all’antibiotico, p.e. di lattobacilli. La resistenza insorge quando il microrganismo acquista la capacità di sintetizzare la β-lattamasi, un enzima in grado di idrolizzare l’anello β-lattamico nella molecola della penicillina. Si opera in anaerobiosi, addizionando il micelio di carboidrati come fonte di carbonio. Avviene una fermentazione lattica e si ottiene un prodotto privo di penicillina, non maleodorante ed idoneo sia ad essere utilizzato come integratore o fertilizzante, sia ad essere smaltito con i metodi tradizionali.
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Quesito n. 4 L’idrogeno (H2) non è presente sulla Terra, se non in quantità del tutto trascurabili, quindi non può essere una fonte energetica. Riveste attualmente particolare interesse, invece, come vettore energetico, in quanto per combustione produce soltanto acqua. Al contrario i combustibili fossili producono sostanze inquinanti, come ossidi d’azoto e biossido di zolfo, ed anidride carbonica (biossido di carbonio), tipico gas serra. L’idrogeno può essere utilizzato in motori a combustione, sottostando alle tipiche limitazioni della trasformazione del calore in lavoro (2° principio della termodinamica), oppure nelle “fuel cell”, le celle a combustibile, in cui l’energia chimica viene trasformata in energia elettrica. In condizioni di reversibilità, il “lavoro utile” della cella è dato dalla variazione di energia libera di Gibbs della reazione: Lu = -∆G. La produzione dell’idrogeno attualmente utilizza prevalentemente fonti fossili, come gas naturale, frazioni petrolifere, carbone. Con tecniche simili si possono utilizzare materie prime ottenute da fonti rinnovabili, come quelle vegetali e derivate. Può ottenersi anche per elettrolisi dell’acqua, spostando così il problema sulla produzione di energia elettrica, ottenuta, a sua volta, sia da fonti fossili (centrali termoelettriche), sia da fonti rinnovabili (centrali idroelettriche, eoliche, solari, fotovoltaiche, ecc.). In questo caso la conversione energia elettrica idrogeno fuel cell energia elettrica, che non è certo a rendimento unitario, presenterebbe solo il vantaggio della mobilità. →
→
→
Produzione da carbone
È il vecchio metodo utilizzato per produrre il gas di città (il gas d’acqua), bruciando carbone coke in difetto d’aria ed in presenza di vapor d’acqua. Si ottiene una miscela contenente H 2 e altri gas, secondo le reazioni: C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g) ; endotermica, favorita ad alta T →
Per attuare la reazione parte del carbone viene bruciato, con prevalente formazione di CO C(s) + 1/2O2(g)
→
CO(g) ;
esotermica, sempre favorita
Così però si introduce un certo quantitativo d’azoto, che abbassa il potere calorifico del gas. Inoltre, è anche possibile convertire il CO in CO2, ottenendo altro idrogeno: CO(g) + H2O(g)
→
CO2(g) + H2(g) ;
esotermica, favorita a bassa T
Ciò è utile quanto si voglia eliminare un componente fortemente tossico come il CO o anche quando si voglia aumentare il tenore di idrogeno, dato che la CO2 può essere facilmente allontanata per assorbimento con soluzioni alcaline. Utilizzando ossigeno invece di aria o con altri accorgimenti è possibile evitare la presenza dell’azoto. Il processo, con opportuni accorgimenti, può essere adattato ad altre materie prime, come biomasse o combustibili derivati da rifiuti. Produzione da gas naturale
Il gas naturale è costituito principalmente da metano. Partendo da metano, le possibili reazioni sono: • steam reforming CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g) ; endotermica, favorita ad alta T →
•
ossidazione parziale CH4(g) + 1/2O2(g)
•
dry reforming
CH4(g) + CO2(g)
→
→
CO(g) + 2H2(g) ; esotermica, sempre favorita
2CO(g) + 2H2(g) ; endotermica, favorita ad alta T
Come già visto, dal monossido di carbonio poi si può ottenere altro idrogeno per reazione del gas d’acqua. Steam o dry reforming e ossidazione parziale si possono combinare in modo da avere un processo autotermico , che non richieda ulteriore combustibile per il riscaldamento del reattore.
Se si usa aria si ottengono miscele con azoto, se si usa ossigeno, no.
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Il dry reforming è di recente sviluppo, rispetto allo steam reforming , utilizza meno acqua, richiede meno calore dall’esterno e la CO 2 prodotta in eccesso è ad alta purezza, quindi adatta per essere utilizzata in modo da diminuire l’emissione di gas serra, in accordo con il protocollo di Kyoto. Produzione da etanolo
Le tecnologie di reforming e ossidazione parziale si possono applicare anche frazioni petrolifere leggere e anche a composti come l’etanolo. Quest’ultimo caso riveste particolare interesse, potendosi ottenere l’etanolo da fonti rinnovabili (fermentazione alcolica), per cui la CO2 prodotta non contribuisce all’incremento dei gas serra in quanto il carbonio in essa contenuto deriva da fotosintesi. In particolare lo steam reforming dell’etanolo decorre secondo la reazione: CH3CH2OH(g) + 3H2O(g)
→
2CO2(g) + 6H2(g) ;
endotermica, favorita ad alta T
Poiché per spostare del tutto a destra la reazione si usa un eccesso d’acqua, si può notare come in questo caso non sia necessario ricorrere a dispendiose distillazioni delle soluzioni diluite ottenute usualmente per fermentazione. In ogni caso bisogna notare che sono già operative fuel cell che possono funzionare con soluzioni acquose di metanolo o etanolo, che eviterebbero il ricorso all’idrogeno e le rilevanti problematiche legate alla sua manipolazione. Bioidrogeno
Nella fotosintesi, l’energia associata alla radiazione solare viene utilizzata per organicare la CO2 a glucosio, cioè per ridurla mentre l’ossigeno dell’acqua è ossidato ad O2. Alcune microalghe, in assenza di ossigeno, invece della CO2 riducono l’idrogeno dell’acqua ad H2. Sono allo studio particolari specie mutate che producono idrogeno anche in presenza di O2, dato che basta il poco ossigeno prodotto dalla fotosintesi a ristabilire il normale ciclo di organicazione del carbonio. Stoccaggio, trasporto e distribuzione
Sono gli aspetti più critici del problema. L’idrogeno condensa a bassissima temperatura (p. eb. a 1 atm 20,3 K, -253 °C), è la sostanza a più bassa massa molare (una bombola da 100 litri a temperatura ambiente e 100 atmosfere di pressione contiene meno di 1 kg di idrogeno), è un gas molto infiammabile, si pensi al disastro dell’Hindenburg al tempo dei dirigibili o al più recente, dello shuttle Challenger .
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