Differenze tra un processo continuo e un processo batch

Ogni processo produttivo può essere classificato in base a come avviene l’ingresso della materia prima e a come si ottiene il prodotto finale da essa.

Si distingue principalmente tra processo continuo e processo batch, anche se esistono varianti che combinano caratteristiche di entrambi i processi.

• Processo continuo. Il flusso di ingresso della materia prima nel sistema è costante per tutta la durata del processo di produzione, così come costante è l’uscita del prodotto.
• Processo batch (noto anche come processo a lotti). La quantità totale di materia prima viene introdotta nel sistema all’inizio del processo, ottenendo la quantità totale di prodotto dopo un certo tempo.

Nei processi in cui è richiesto un apporto o una cessione di calore nel prodotto, il consumo energetico e la durata del processo sono diversi se viene eseguito in continuo o in batch.

Inoltre, il tipo di processo condiziona le dimensioni dell’attrezzatura di scambio termico richiesta.

Alcuni dei motivi comuni per cui si seleziona un processo batch invece che continuo sono i seguenti:

• La disponibilità del prodotto da trattare o del servizio caldo o freddo non è continua.
• È richiesta un certo tempo di ritenzione nel processo, ad esempio, per la stabilizzazione delle proprietà del prodotto o lo sviluppo di reazioni chimiche.
• Le operazioni di manutenzione e/o pulizia richiedono una parte importante del tempo di processo.

Esempio. Supponiamo che sia necessaria una portata di 10.000 kg/h di acqua calda a 85 °C per un determinato processo produttivo, della durata di 30 minuti. A tale scopo si dispone di acqua di rete a 20 ºC e di vapore a 4,5 barg (155 ºC) come mezzo di riscaldamento. Si desidera effettuare il processo di riscaldamento tramite uno scambiatore di calore tubolare.

Processo continuo

La portata di acqua calda viene alimentata costantemente durante tutto il processo.

Figura 1. Schema di un processo continuo con scambiatore di calore

Il consumo totale di acqua sarà di 10.000 kg/h x 0,5 h = 5.000 kg.

La portata di vapore richiesta a 4,5 barg, secondo il bilancio energetico, è di 1.300 kg/h, che rimane costante durante l’intero processo.

• Pertanto, il consumo totale di vapore è di 1.300 kg/h x 0,5 h = 650 kg.

Lo scambiatore di calore tubolare deve essere in grado di riscaldare istantaneamente la portata d’acqua da 20 °C a 85 °C.

• Il progettista deve innanzitutto selezionare un diametro del corpo con un numero di tubi interni adeguato alla portata d’acqua.
• La lunghezza dei tubi deve garantire una superficie di scambio sufficiente, in base all’equazione Q = U x A x LMTD, dove Q è la potenza di scambio, U è il coefficiente globale di trasferimento di calore, A è l’area di scambio e LMTD è la differenza logaritmica media delle temperature.
• Per salti di temperatura importanti come quelli di questo esempio (da 20 °C a 85 °C), è normale che il processo continuo richieda uno scambiatore di calore con una grande lunghezza nominale, ad esempio 3.000 mm.

Proceso batch

La massa di acqua calda viene alimentata prima dell’inizio del processo.

Figura 2. Schema di un processo batch (a lotti) con scambiatori di calore

Per eseguire il processo in batch (processo a lotti), sarà necessario un serbatoio con una capacità di accumulo della massa totale di acqua necessaria, pari a 5.000 kg. Pertanto, il consumo totale di acqua è lo stesso che nel processo continuo. Ma ci sono differenze rispetto al processo continuo:

• Nel processo discontinuo, è necessario un certo tempo t1 per accumulare prima la massa totale di acqua a 20 °C nel serbatoio.
• È quindi necessario un certo tempo t2 per riscaldare questa massa d’acqua da 20 °C a 85 °C. Dipenderà dalla portata di ricircolo, che non deve necessariamente coincidere con la portata di consumo (10.000 kg/h in questo esempio).
• Il tempo totale di funzionamento in batch sarà la somma della durata del processo (30 minuti in questo esempio) più questi tempi precedenti: cioè t1 + t2 + 0,5 ore. Tuttavia, nel processo continuo, il tempo totale di funzionamento coincide con la durata del processo, di 0,5 ore.

Bilancio energetico

Per bilancio energetico, la portata di vapore a 4,5 barg richiesta è maggiore all’inizio del ricircolo dell’acqua, quando l’acqua è più fredda (a 20 °C all’avvio), e si riduce ad ogni passaggio attraverso lo scambiatore tubolare man mano che l’acqua nel serbatoio si riscalda.

• Supponiamo che venga stabilita una durata massima di riscaldamento t2 di 1 ora e che venga selezionata una portata di ricircolo di 7.500 kg/h: in questo esempio, per riscaldare 5.000 kg di acqua da 20 °C a 85 °C sono necessari 700 kg/h di vapore all’inizio del ricircolo e 410 kg/h alla fine.
• Sebbene la diminuzione della portata di vapore nel tempo non sia lineare, il consumo totale può essere approssimato come la media dei consumi iniziali e finali: ½ x (700 kg/h + 410 kg/h) x 1 h = 555 kg. La riduzione del consumo di vapore rispetto a un processo continuo è importante, pari al 14,6%: 555 kg invece di 650 kg.

A differenza di quanto accade nel processo continuo, lo scambiatore di calore tubolare in batch non deve soddisfare istantaneamente l’intero salto di temperatura da 20 °C a 85 °C, ma effettuerà salti parziali, sempre più piccoli, fino al completamento del riscaldamento.

• In generale, mantenendo lo stesso diametro dell’involucro e lo stesso numero di tubi interni del processo continuo, la lunghezza nominale dello scambiatore di calore per il processo batch sarà notevolmente inferiore.
• È normale che il processo batch richieda uno scambiatore di calore tubolare di 1.500 mm di lunghezza nominale (la metà del processo continuo di questo esempio), quindi il costo sarà inferiore.

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