Analisi di sostenibilità di tecnologie CCS applicate a settori hard-to-abate

In questo lavoro di tesi viene presentata un’analisi di sostenibilità economica, ambientale e sociale di un sistema di cattura e purificazione della CO2 post-combustione. Al fine di ottenere i dati utili al calcolo di indici significativi di sostenibilità, si è scelto di modellare, attraverso il software Aspen Plus®, un processo di assorbimento chimico con ammine, tecnologia matura e spesso impiegata a questo scopo per settori industriali di taglie superiori. Al sistema di assorbimento viene poi fatta seguire un’unità di compressione e purificazione, finalizzata al raggiungimento di specifiche condizioni della corrente in uscita, legate alla successiva tipologia di trasporto considerata: gas pressurizzato via pipeline o gas liquefatto via nave. L’analisi economica si è basata sul calcolo di costi operativi, costi variabili, costo della CO2 evitata e consumo specifico di energia (SPECCA). La simulazione ha infatti consentito di ottenere un dimensionamento di massima delle apparecchiature e il consumo di utenze, valori necessari alla stima degli indici. Gli indici economici calcolati sono poi stati utilizzati per comprendere quale parte del processo fosse la più critica e che impatto avessero le unità di compressione e purificazione rispetto alla presenza del solo impianto di cattura. Analisi simili sono state svolte anche in termini di sostenibilità ambientale e sociale. La prima è stata svolta calcolando l’effettiva rimozione di CO2 del sistema, tenendo in considerazione le emissioni dirette e indirette connesse al funzionamento degli apparati. L’analisi sociale è stata ridotta a un’analisi qualitativa della sicurezza, attuata attraverso il calcolo dell’Indice di sicurezza intrinseca.

Analisi sperimentale e teorica del flusso evaporante di liquidi criogenici

La crisi energetica che sta investendo l’Italia e l’Europa e la contestuale necessità di raggiungere gli obiettivi che la comunità internazionale si è preposta per uno sviluppo sostenibile stanno spingendo sempre di più verso l’utilizzo di fonti energetiche alternative. In questo contesto il gas naturale liquefatto (LNG) può assumere un ruolo chiave per il trasporto a lunghe distanze.Il gas naturale liquefatto fa parte della classe dei liquidi criogenici. Uno dei problemi principali dei liquidi criogenici riguarda gli aspetti di sicurezza come, ad esempio, il comportamento del liquido criogenico in seguito ad un rilascio accidentale.Questo lavoro di tesi si è focalizzato sulla caratterizzazione sperimentale del flusso l’evaporazione di liquidi criogenici.Per condurre lo studio, per motivi di sicurezza, è stato utilizzato l’azoto liquido (LN2), liquido con caratteristiche criogeniche simili all’LNG, ma non reattivo. Analisi preliminari hanno evidenziato come il contributo legato allo scambio termico per conduzione sia quello preponderante per la determinazione del flusso evaporante. Per questo motivo, lo sversamento è stato eseguito su diverse tipologie di substrato, rappresentative dei materiali più comuni e che plausibilmente possano andare a contatto con liquidi criogenici. Nello specifico sono stati valutati i seguenti substrati: ghiaia, sabbia, terreno secco, terreno umido e cemento. In seguito, è stato valutato il profilo di massa, velocità di evaporazione e temperatura rispetto al tempo per comprendere la durata della fase evaporativa e i principali fenomeni coinvolti. La velocità media e massima di evaporazione è risultata fortemente influenzata dalle proprietà fisiche del substrato e dalla presenza di acqua al suo interno.I dati raccolti rappresentano un passo in avanti fondamentale per la caratterizzazione del comportamento dei liquidi criogenici in atmosfera, favorendo la progettazione di tecnologie e procedure opportune per il loro utilizzo in sicurezza.

Sviluppo di biocompositi rinforzati con fibre naturali

Negli ultimi anni sta diventando sempre più insistente la necessità di sviluppare nuovi materiali in grado di sostituire le comuni plastiche derivanti dal petrolio con bioplastiche ottenute da biopolimeri che spesso vengono rinforzate mediante riutilizzo di scarti agricoli, come fibre di bambù, in grado di conferire proprietà meccaniche migliori, dando vita ai biocompositi. In particolare, una delle risorse rinnovabili più promettenti al giorno d'oggi è la cellulosa, come quella contenuta nella fibra di bambù, che, usata come filler rinforzante, permette di ottenere biocompositi con caratteristiche meccaniche e termiche migliori rispetto alle matrici polimeriche pure tipo PHB e PLA. Questa nuova generazione di biocompositi può essere vista come evoluzione dei vecchi compositi e punta l’attenzione alla sostenibilità ed ecoefficienza ponendosi sul mercato come prodotti sostenibili, ecologici e competitivi, utilizzabili in svariati ambiti, dal packaging alimentare ai complementi d’arredo, dall’automotive all’edilizia, dall’industria tessile alle applicazioni biomedicali. Lo scopo di questo lavoro di Tesi è stato quello di realizzare e caratterizzare dal punto di vista termico e meccanico biocompositi a base di PLA con tre percentuali crescenti di filler naturale ed a base di PHB con le stesse percentuali di filler. I sei biocompositi sono stati realizzati tramite plastografo Brabender. In seguito, sono state effettuate le seguenti prove: 1) Calorimetria a scansione differenziale (DSC); 2) Stampaggio ad iniezione per la realizzazione dei campioni secondo la normativa; 3) Prove di trazione, al fine di capire se il filler avesse modificato il modulo di Young e l’allungamento a rottura della matrice pura; 4) Prove di impatto, effettuate per studiare la tenacità del materiale al variare delle diverse percentuali di filler; 5) Microscopio a scansione elettronica (SEM), con lo scopo di osservare l’adesione matrice-filler.

Studio di metodi e strumenti per la valutazione dell'impatto ambientale e di sostenibilità dei processi di produzione additiva

La produzione additiva è una tecnologia innovativa completamente rivoluzionaria. La sua tecnica di costruzione layer by layer a partire da un file digitale consente la progettazione di componenti più complessi e ottimizzati, favorendo la stampa 3D su richiesta. La produzione additiva è potenzialmente in grado di offrire numerosi vantaggi sul tema della sostenibilità, rappresentati dall’utilizzo più efficiente delle risorse, dalla vita estesa dei prodotti e dalle nuove configurazioni delle catene di valore. L’ importanza di determinare gli impatti che tale processo genera lungo il suo ciclo di vita, ha portato ad una revisione della letteratura su tale argomento. In particolare, la mancanza di dati e modelli ha focalizzato l’attenzione su studi LCA di specifici processi. Grazie a tale strumento è stato possibile determinare l’influenza di diversi materiali, parametri di processo e scenari di utilizzo. Infine, viene mostrato quanto sia significativo l’impatto sociale che è in grado di generare la produzione additiva.

Studio della permeabilità di CO2 e N2 in membrane composite di Aquivion e PVAm

Per mitigare il notevole aumento di emissioni di gas serra, molti studi si stanno focalizzando sulle membrane a trasporto facilitato per la separazione e la cattura di CO2. In particolare, le tecnologie di Carbon Capture and Storage (CCS) hanno ridestato interesse basandosi principalmente sulla cattura dell’anidride carbonica. L’obiettivo di questo studio è stato di migliorare le prestazioni di selettività nell’Aquivion, membrana ionomerica dell’acido perfluorosolfonico. Gli ottimi valori di permeabilità che raggiunge hanno portato quindi a focalizzare le ricerche sul miglioramento della capacità selettiva tra CO2 e N2. Infatti, la permeabilità e la selettività sono considerati parametri di trade-off, all’aumento di uno corrisponde la diminuzione dell’altro. Inoltre, le buone prestazioni delle membrane a trasporto facilitato in presenza di gruppi amminici hanno portato al tentativo di associare ad un materiale come l’Aquivion, dalla buona conduttività protonica, la Polivinilammina. Le ammine in membrane a trasporto facilitato sono infatti in grado di legare selettivamente l’anidride carbonica. Il presente lavoro si è inizialmente focalizzato sulla purificazione della Polivinilammina e sull’accoppiamento delle due membrane. In seguito alla realizzazione, i film sono stati caratterizzati mediante spettroscopia FTIR-ATR e infine testati in condizioni di umidità con l’utilizzo di un permeometro. È infatti ampiamente studiato come migliorare la permeabilità dell’Aquivion all’aumentare dell’umidità. In conclusione, in condizioni di alta adesione della Polivinilammina all’Aquivion la selettività ad alte umidità è aumentata rispetto ai valori di letteratura in articoli condizioni.

Analisi fluidodinamica di reattori gas-liquido operanti con giranti multiple

La miscelazione di sistemi gas-liquido all’interno di recipienti meccanicamente agitati ritrova molte applicazioni industriali. I recipienti meccanicamente agitati rappresentano la scelta più conveniente poiché consentono una dispersione ottimale della fase dispersa all’interno della fase continua ed uno scambio di materia e di calore efficiente. I parametri chiave sono il consumo di potenza, l’hold-up di gas ed il regime gas-impeller. La fase sperimentale è stata sviluppata mediante l’utilizzo di un reattore pilota operante con tre turbine Rushton. Il consumo di potenza è stato valutato ed i risultati ottenuti dalle analisi di laboratorio sono stati confrontati con la correlazione empirica di Warmoeskerken (1986). Le tecniche impiegate in passato per la caratterizzazione dei sistemi gas-liquido sono caratterizzate da diversi svantaggi quali la possibilità di essere utilizzate solo per lo studio di sistemi trasparenti, l’intrusività ed i costi alti. Attualmente, la tomografia a resistenza elettrica (ERT) è una delle tecniche di ispezione più utilizzate grazie alla sua potenzialità di fornire informazioni qualitative e quantitativi. Uno degli obiettivi di questo lavoro di tesi è quello di validare una metodologia da seguire per la caratterizzazione dei sistemi gas-liquido. L’ERT è stata utilizzata per la valutazione dell’hold-up di gas e per l’identificazione del regime instaurato all’interno dell’apparecchiatura. I risultati sono stati confrontati con le valutazioni visive e le correlazioni proposte dalla letteratura. La strumentazione dell’ERT comprende un sistema di sensori, un sistema di acquisizione dati (DAS) ed un computer sul quale è installato il software per la ricostruzione dell’immagine, il quale, generalmente, è basato sull’algoritmo linear back - projection. Ulteriore obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di investigare sulla convenienza di adoperare un software più sofisticato per la ricostruzione dell’immagine.

Durabilita’ e cleaning validation di materiali polimerici per macchinari dell’industria farmaceutica

La scelta del materiale da costruzione (MOC) delle apparecchiature nell’industria farmaceutica rappresenta uno step cruciale per garantire il successo dell’impianto. Infatti, per evitare la contaminazione dei lotti e quindi assicurare la massima qualità del farmaco, è necessario evitare qualsiasi interazione chimica, nonostante il continuo contatto, tra il prodotto, la superficie dei macchinari e i fluidi di processo. Allo stato attuale, gli acciai inossidabili sono il riferimento per il settore. Il loro storico utilizzo è da imputare alla loro estrema versatilità: oltre ad essere particolarmente performanti dal punto di vista meccanico, mostrano alta resistenza alle temperature ed eccellente coefficiente igienico, grazie anche alla loro ottima resistenza alla corrosione. Tuttavia, ci sono stati diversi sviluppi e innovazioni nella produzione dei materiali plastici, che hanno portato alla generazione di nuovi polimeri ingegnerizzati in grado di competere per proprietà meccaniche, e non solo, con gli acciai. L’additive manufacturing (AM), inoltre, si è dimostrata essere un’importante innovazione per la produzione di componenti industriali in materiale plastico, in quanto può favorire la riduzione di peso del componente e l’abbassamento dei costi di produzione. Tra le varie tecnologie AM una delle più mature è la sinterizzazione laser selettiva (SLS), dove però i componenti prodotti, nonostante i numerosi vantaggi che garantiscono, sono tuttavia soggetti alla formazione di porosità. Nell’ottica dell’introduzione di polimeri come materiali da costruzione per macchinari dell’industria farmaceutica, questo elaborato si è concentrato sullo studio della durabilità di alcune tipologie di materiali plastici (elastomeri, poliolefine e poliammidi), andando a valutare nello specifico la compatibilità dei differenti polimeri studiati con diversi fluidi di lavaggio, e la loro pulibilità, essendo questa una prerogativa fondamentale dei componenti a contatto con il farmaco.

Progettazione e implementazione in ambiente virtuale di una attrezzatura a supporto dell’industria del packaging

Lo studio effettuato durante il lavoro di tirocinio, da cui nasce la tesi, verte sulla progettazione ed implementazione in ambiente virtuale di una tavola rotante customizzata per la saldatura di supporti per gruppo bobine, contrappeso e guida rulli su anelli calandrati, richiesta da un fornitore dell’azienda Pieri s.r.l. presso la quale si è svolto il tirocinio medesimo. Il fornitore, infatti, si occupa di effettuare operazioni di saldatura su componenti delle macchine avvolgipallet, sviluppate e progettate dall’azienda Pieri. Per soddisfare la richiesta, si è ingegnerizzato il processo tanto che la macchina progettata facilita l’operatore nelle lavorazioni che deve effettuare, riducendo così il suo affaticamento, migliorando i tempi e la qualità di lavorazione. Dopo il tirocinio in azienda, il progetto è stato implementato in ambiente virtuale all’interno del laboratorio di Realtà Virtuale della sede di Ingegneria di Forlì, utilizzando il visore Meta Quest 2, con il quale si è creata un’applicazione che ha permesso al fornitore di fare più opportune valutazioni riguardanti la macchina sviluppata. Nell’ambiente virtuale, infatti, si può interagire non solo tramite visualizzazione, ma esiste la possibilità di gestire il funzionamento della macchina stessa ed apprezzare le configurazioni relative alle tre tipologie di anelli calandrati processati. Inoltre, permette di effettuare training in merito alle operazioni di saldatura e su alcune azioni relative al montaggio e smontaggio della macchina.

Sviluppo di standard tecnici per la selezione ed installazione di essiccatori e filtri industriali

Il flusso di progettazione è un processo variabile, costituito da scelte, comporta una analisi preliminare del case study e delle apparecchiature da installare, e successivamente la proposta di soluzioni che possano soddisfare i requisiti del processo. I documenti standard di installazione possono semplificare il lavoro di progettazione e sono alla base di questo. La definizione di standard si inserisce all’interno di un panorama variabile e propone una soluzione unica e consolidata che si pone come base solida per la progettazione futura. L’obiettivo della tesi è quello di creare e formalizzare due standard per il sito produttivo BASF Italia di Pontecchio Marconi per l’installazione di Essiccatori di tipo Termomix e di filtri Nutsche, apparecchiature ampiamente utilizzate nel settore della chimica fine. Questi equipment sono ricorrenti in impianto e, a seconda del contesto in cui operano, hanno differenze più o meno rilevanti. Seguendo gli step progettuali sono stati redatti un P&ID standard, completo di blocchi di sicurezza, e un report finale per ogni apparecchiatura studiata includendo le soluzioni e le decisioni proposte. Ovviamente, non essendo possibile unificare ogni aspetto di un’installazione perché i vari processi hanno requisiti differenti, si sono affiancate allo standard alcune considerazioni al di fuori di esso. Inoltre, dove possibile, sono state proposte anche alcune soluzioni innovative che possono migliorare e risolvere alcuni problemi attualmente presenti.

Studio di fattibilità per la valorizzazione di reflui liquidi in un impianto di produzione di fine chemicals

Il progetto di tesi è stato svolto all’interno della divisione logistica dello stabilimento BASF Italia s.p.a. situato a Pontecchio Marconi (BO). L’elaborato tratta lo studio di fattibilità per la valorizzazione di reflui liquidi in un impianto di produzione di fine chemicals volto principalmente al miglioramento della separazione tra liquidi immiscibili all’interno delle cisterne del parco reflui del sito. La prima fase dello studio si è concentrata nella valutazione dello stato dell’arte nell’attuale gestione dei reflui in sito, che ha visto la sua prosecuzione naturale nel campionamento degli stessi per la caratterizzazione chimico-fisica. A seguito dello screening tecnologico e in funzione dei risultati ottenuti dalle analisi, sono stati individuati i processi più idonei per la finalità descritta. Infine sono stati contattati alcuni fornitori per svolgere delle prove con impianti pilota con l’obiettivo di ricavare dei risultati rappresentativi di un processo industriale. Lo studio di fattibilità si è concluso con il confronto tra le soluzioni individuate, evidenziando i diversi aspetti di carattere tecnico-economico-ambientale e illustrando gli svantaggi e i vantaggi di ognuna delle tecnologie.

Analisi delle conseguenze dei rilasci accidentali di CO2 dagli impianti di cattura e stoccaggio

Oggi si sta assistendo sempre più ad un consumo maggiore di energia, proveniente soprattutto da fonti fossili. Tuttavia, occorre evidenziare l’aspetto negativo correlato a tutto questo: l’incremento del rilascio di gas ad effetto serra, responsabili del fenomeno del surriscaldamento globale. La Carbon Capture, Utilisation and Storage (CCUS) è stata riconosciuta come tecnologia strategica per raggiungere l’obiettivo dell’azzeramento delle emissioni entro il 2050. Lo scopo della tesi è effettuare la valutazione delle conseguenze dei rilasci accidentali di CO2 dagli impianti di cattura, esprimendole in termini di distanze di danno per l’uomo e per le apparecchiature. Dopo il Capitolo 1, dal carattere introduttivo e in cui si spiega il perché si renda necessaria la cattura della CO2, il Capitolo 2 fornisce i valori di pericolosità della CO2 relativi agli effetti tossici e termici, in termini di concentrazioni e temperature soglia; inoltre, illustra i codici DNV PHAST, NIST FDS e Ansys FLUENT, utilizzati per effettuare la valutazione delle conseguenze. A seguire, il Capitolo 3 presenta un impianto di cattura della CO2 assunto come caso di studio, fornendo la descrizione del funzionamento dell’impianto e riportandone i documenti principali, quali il PFD e la mappa del layout. Inoltre, vengono individuati gli scenari di rilascio e sono specificate le condizioni ambientali considerate ai fini della modellazione della dispersione. Il Capitolo 4 riporta i risultati ottenuti dalle simulazioni effettuate con i software di modellazione illustrati nel Capitolo 2, effettuando un’analisi comparativa delle distanze di danno, corredata di un’ampia discussione. Il Capitolo 5, infine, riporta le considerazioni conclusive del lavoro di tesi e delinea alcuni possibili sviluppi futuri delle indagini.

Valutazione ingegneristica di alcuni aspetti del ciclo di vita degli impianti per la produzione, il trasporto, lo stoccaggio e l’utilizzo di idrogeno

La domanda energetica mondiale è cresciuta significativamente negli ultimi decenni e la maggior parte dell’energia attualmente prodotta deriva da combustibili fossili. Una delle sfide attuali è quella di ridurre le emissioni di gas serra generate dalla produzione di energia tramite risorse non rinnovabili. A tal riguardo, la ricerca di nuovi vettori energetici e lo sviluppo di nuovi processi per la produzione di energia da risorse rinnovabili costituiscono alcuni tra gli elementi necessari per raggiungere tale obiettivo. L’idrogeno, allo stato attuale, è considerato uno dei vettori energetici più promettenti; tuttavia presenta degli svantaggi a causa delle sue caratteristiche chimico-fisiche. Infatti esso presenta un ampio campo di infiammabilità, una bassa energia di ignizione, delle dimensioni molecolari piccole al punto da renderne complesso il contenimento; inoltre, la bassa densità del fluido causa dei problemi per quanto riguarda lo stoccaggio ed il trasporto. In questo contesto si inserisce il presente lavoro di tesi, che è stato sviluppato durante un tirocinio svolto presso una società di ingegneria operante nel settore “Oil&gas”. Lo scopo di questo elaborato è quello di valutare la possibilità di convertire una condotta attualmente impiegata per il trasporto di gas naturale a idrogenodotto e studiare la fattibilità della produzione e dello stoccaggio di idrogeno ai fini dell’alimentazione a un turbogeneratore per la produzione di energia elettrica. Dopo il Capitolo 1 avente carattere introduttivo, nel Capitolo 2 viene analizzata la possibilità di convertire a idrogenodotto una condotta attualmente impiegata per il trasporto di gas naturale. Nel Capitolo 3 viene valutata la fattibilità dell’acquisto e stoccaggio o dell’autoproduzione e stoccaggio di idrogeno tramite elettrolisi dell’acqua, ai fini dell’alimentazione a un turbogeneratore. Infine, nel Capitolo 4 vengono riportate le conclusioni delle analisi effettuate.

Analisi sulla sostenibilità e sicurezza di combustibili innovativi

Al fine di mitigare gli impatti ambientali legati alla produzione energetica, lo sviluppo di tecnologie per l’utilizzo di carburanti carbon-free risulta essere essenziale. Si confida che la sostituzione di combustibili convenzionali con sorgenti di energia rinnovabili e bio-combustibili possa ridurre le emissioni di gas serra. Tuttavia, l’intermittenza della maggior parte delle sorgenti di energia rinnovabile comporta problemi di stoccaggio dell’energia. Pertanto, risulta necessaria l’introduzione di opportuni vettori energetici quali l’idrogeno. Nonostante l’elevata reattività dell’idrogeno, gli elevati costi per raggiungere standard di sicurezza opportuni nella fase di trasporto e stoccaggio limitano il suo uso estensivo. Per tale motivo, sono state vagliate sostanze alternative, quali l’ammoniaca, caratterizzate da processi produttivi collaudati oltreché di facile stoccaggio e trasporto. Considerando i processi produttivi di entrambe le sostanze, la possibile presenza di metano ha suggerito lo studio di miscele ternarie costituite da metano, idrogeno e ammoniaca. Sulla base di queste premesse, il presente lavoro di tesi è stato incentrato sull’analisi cinetica e sulla valutazione dei principali parametri di sicurezza di alcune miscele gassose in presenza di aria e aria arricchita. Tale analisi ha permesso una valutazione preliminare della sostenibilità delle miscele ternarie in esame al variare delle condizioni operative. Infatti, sono state quantificate le prestazioni ambientali e gli standard di sicurezza al fine di confrontare la sostenibilità e la convenienza delle alternative di processo.

Qualifica e mappatura di apparecchiature e sistemi rilevanti per l’industria farmaceutica

Il settore farmaceutico è regolato da numerose norme e linee guida al fine di tutelare la salute del consumatore. Infatti, il principio generale che governa lo sviluppo e l’operabilità di un impianto farmaceutico prevede che l’utilizzatore debba fornire l’evidenza documentale che il sistema sia “qualificato” e che il processo produttivo che in esso risiede sia “convalidato” e mantenuto in tale stato. Sulla base di quanto detto risulta essenziale, prima dell'accettazione alla produzione di un nuovo farmaco, che venga confermata una valutazione esatta e affidabile per la sua realizzazione e per la sicurezza degli utilizzatori, garantendone la qualità. Tale elaborato è volto ad analizzare suddetta gestione delle richieste normative in ambito di qualifica dei sistemi farmaceutici, come frutto di un’esperienza formativa svolta presso lo stabilimento di Termoli (CB) della F.I.S. – Fabbrica Italiana Sintetici S.p.A. Il processo di qualifica è stato messo in atto per l’installazione di una nuova centrifuga e per la mappatura termo-igrometrica del nuovo magazzino automatizzato dello stabilimento. Nello specifico, i due casi studio esaminati sono stati individuati grazia ad una prima presentazione del sistema inquadrato nella produzione di principi attivi farmaceutici, seguita dall’analisi dei protocolli (standard e non) di qualifica da compilare nella fase esecutiva. Nell’elaborato sono stata presentate e comparate le normative e le linee guide vigenti del settore, quali EU GMP Guidelines, ISPE Baseline Guide e UNI EN ISO 9001:2015 per la gestione della qualità, e le procedure aziendali, nell’ottica delle norme di buona documentazione e del rispetto del data integrity. L’esecuzione dei due progetti ha permesso l’avvio e la messa in esercizio di sistemi critici per la produzione di principi attivi farmaceutici, garantendo il miglioramento delle prestazioni complessive dell’impianto.