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Reattori chimici ed elettrochimici

01OCQMW

A.A. 2018/19

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica E Dei Processi Sostenibili - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 60
Esercitazioni in aula 16
Esercitazioni in laboratorio 4
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Banchero Mauro Professore Associato ING-IND/24 38 10 16 0 4
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/24 8 B - Caratterizzanti Ingegneria chimica
2018/19
Il corso ha lo scopo di approfondire i principi di funzionamento ed il progetto dei reattori chimici polifasici che rappresentano la più importante classe di reattori chimici con applicazioni industriali di processo. La parte di programma relativa ai reattori elettrochimici si propone di illustrare gli aspetti fondamentali dell'elettrochimica finalizzata all'ingegneria di processo, allo scopo di discutere le applicazioni di maggior interesse ingegneristico nei settori della elettrochimica industriale e della conversione elettrochimica dell'energia.
The aim of the course is to understand the principles for the design and operation of multiphase reactors which represent the most important type of chemical reactors finalized to applications in the process industry. The topics related to electrochemical reactors aim to illustrate the basic aspects of electrochemistry for process engineering, in order to discuss the most important applications in industrial electrochemistry and electrochemical energy conversion.
Al termine del corso gli studenti avranno avuto modo di comprendere l'importanza dei fenomeni di trasferimento di materia sulle prestazioni dei reattori polifasici. Grazie alle esercitazioni di calcolo, gli studenti saranno in grado di applicare i concetti presentati nelle lezioni alla progettazione dei reattori industriali. Nell'ambito della reattoristica elettrochimica, gli studenti impareranno a valutare l'importanza dell'impiego di reattori elettrochimici confrontati con i reattori tradizionali, sia in termini di selettività dei processi che in termini di efficienza energetica e di impatto ambientale. In particolare, gli studenti saranno messi in grado di considerare criticamente l'utilizzo di varie configurazioni elettrodiche (materiali, giacitura, fattori tri-dimensionali, aspetti elettro-catalitici) che rappresentano possibili scelte progettuali.
At the end of the course the students should be able to understand the importance of the of mass transfer phenomena on the final conversion and yield of multiphase reactors. Taking advantage of various numerical exercises, the students will be able to apply the concepts explained during the lessons to the industrial reactor design. As far as the electrochemical reactors are concerned, the students will gain the ability to evaluate the importance of employing electrochemical reactors compared to traditional chemical reactors, for the selectivity of the chemical processes, for the energetic efficiency, and for environmental impact. The students will acquire the ability to critically analyze different electrode configurations (materials, position, 3-D factors, electro-catalysts).
Per trarre il maggior profitto possibile dal corso, gli studenti devono possedere buone conoscenze di termodinamica, cinetica chimica, fenomeni di trasporto.
To gain the best benefit from the course, the students must possess a basic knowledge in chemical thermodynamics and kinetics, unit operations, transport phenomena.
Parte 1 (5 CFU): Reattori multifasici Nomenclatura e breve richiamo dei reattori omogenei ideali. Reattori Gas-Liquido e Liquido-Liquido: assorbimento con reazione chimica, regimi di reazione, fattore di avanzamento. Reattori Solido-Fluido catalitici: cinetica di reazioni catalitiche eterogenee; modelli di Langmuir-Hinshelwood e Eley-Rideal; fattore di efficienza, modelli presudo-omogenei monodimensionali e bidimensionali, modelli eterogenei, reattori con solido fluidizzato, disattivazione ed avvelenamento dei catalizzatori, combustori catalitici. Reattori trifasici Solido-Fluido-Fluido: reattori slurry miscelati; reattori a letto fisso (Trickle Bed, Upflow e con solido strutturato). Parte 2 (3 CFU): Reattori elettrochimici Generalità Il reattore elettrochimico (cella). Velocità delle reazioni elettrochimiche. Rendimento in corrente. Conversione, resa e selettività. Bilancio di materia e di energia per un reattore elettrochimico. Consumo specifico di energia. Elementi di cinetica elettrochimica Cenni di cinetica elettrochimica: dissipazioni energetiche, cause di sovratensione. Sovratensione di attivazione e sovratensione di concentrazione. Equazione di Butler-Volmer, equazione di Tafel. Importanza del trasferimento di materia agli elettrodi in relazione alla cinetica elettrochimica. Influenza della concentrazione sulla velocità di reazione. Reazioni elettrochimiche multi-step. Reazioni concomitanti. Fenomeni di adsorbimento agli elettrodi. Reattori e impianti elettrochimici Aspetti tecnici fondamentali e problematiche generali. Descrizione e classificazione dei reattori. Elementi di progetto: cinetica di reazione, tensione minima di elettrolisi, equilibrio agli elettrodi, reazioni secondarie. Reattori a flusso a pistone e a mescolamento. Configurazioni di celle industriali. Alcuni esempi di processi elettrochimici industriali. Generatori elettrochimici di energia Sono presentati e discussi i principali tipi di generatori attraverso il confronto delle proprietà elettriche e delle condizioni operative. Caratteristiche dei generatori elettrochimici: energia specifica, capacità, durata e vita. Caratteristiche elettriche, curve di scarica e curve di polarizzazione. Problematiche relative allo smaltimento e al recupero. Impatto ambientale. Generatori elettrochimici primari: pile Leclanché, pile alcaline, pile al Litio, altri generatori primari. Generatori elettrochimici secondari: proprietà e caratteristiche, vita, cicli, condizioni di ricarica. Batterie al piombo, batterie Ni-Cd e Ni-MeH, sistemi secondari al Litio (Litio ione). Pile a combustibile, generalità e caratteristiche. Fuel cell a membrana polimerica (PEMFC), alcaline AFC), ad acido fosforico (PAFC), a carbonati fusi (MCFC), ad ossidi (SOFC). Problemi di durata delle fuel cell, stabilità dei catalizzatori, degrado degli elettroliti, carichi ciclici. Processi di trattamento dei combustibili. Problematiche del veicolo elettrico.
Part 1 (5 CFU): Multiphase real reactors: Nomenclature and a short review of ideal homogeneous reactors. Multiphase gas-liquid and liquid-liquid reactors: absorption with chemical reactions, reaction regimes, enhancement factor. Multiphase solid (catalyst)-fluid reactors: kinetics of catalytic heterogeneous reactions; Langmuir-Hinshelwood and Eley-Rideal models; effectiveness factor, pseudo-homogeneous mono-dimensional and bi-dimensional models; heterogeneous models, reactors with fluidized solid, catalyst deactivation and poisoning, catalytic combustors. Three-phase reactors (solid-fluid-fluid): slurry reactors; fixed-bed reactors (Trickle Bed, Upflow, structured catalyst reactors). Part 2 (3 CFU): Electrochemical reactors Introduction The electrochemical reactor (electrolyser). Rate of electrochemical reactions. Current efficiency. Conversion, yield and selectivity. Mass and energy balance for an electrochemical reactor. Energy demand for unit of product. Electrochemical kinetics Basic aspects of electrochemical kinetics: energy dissipations, overvoltages. Activation and concentration overvoltage. Butler-Volmer equation, Tafel equation. Influence of mass transfer and reactants concentration at electrodes on electrochemical kinetics. Multi-step electrochemical reactions. Parallel reactions. Adsorption phenomena. Industrial electrochemical reactors General and technical issues. Classification and description of reactors. Design aspects: reaction kinetics, minimum cell voltage (electrolyser), equilibrium at electrodes, secondary reactions. Plug-flow reactors, mixed reactors. Configuration of industrial cells. Some examples of electrochemical industrial processes. Electrochemical power sources Different types of electrochemical power sources are illustrated by comparing their operating and electrical properties. Characteristics of electrochemical power sources: energy density, capacity, life and duration. Electrical characteristics, discharge curves, polarisation curves. Disposal, recovery and environmental issues. Primary batteries: Leclanché, alkaline, lithium cells, other primary batteries. Secondary batteries: properties and characteristics, life, cyclic operation, recharge. Lead-acid batteries, Ni-Cd and Ni-MeH batteries, lithium ion batteries. Introduction to Fuel Cells. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), alkaline (AFC), phosphoric acid (PACF), molten carbonate (MCFC), solid oxide (SOFC) fuel cells. Fuel cell durability and degradation issues, electro-catalysts stability, membrane degradation, cyclic load. Fuel processing (reforming). Electric vehicle issues and perspective.
Le esercitazioni in aula consistono nella risoluzione, da parte degli allievi, di calcoli di progetto dei reattori come applicazione delle metodiche sviluppate a lezione.
Lectures are integrated with numerical exercises aimed at solving simple problems concerning the design of reactors as an application of the subject of the lessons.
Slides delle lezioni saranno fornite in anticipo agli studenti. I seguenti testi sono consigliati per approfondire l'apprendimento: A) per la parte di reattori chimici polifasici Westerterp, Van Swaaij, Beenackers, 1984, Chemical Reactor Design and Operation, John Wiley & Sons. Froment, Bischoff, De Wilde, 2011, Chemical Reactor Analysis and Design, John Wiley & Sons. Levenspiel, 1999, Chemical Reaction Engineering, John Wiley & Sons. Rawlings, Ekerdt, 2002, Chemical Reactor Analysis and Design Fundamentals, Nob Hill Publishing. Salmi, Mikkola, Warna, 2011, Chemical Reaction Engineering and Reactor Technology, CRC Press. Kunii, Levenspiel, 1991, Fluidization Engineering, Butterworth-Heinemann. B) per la parte di reattori elettrochimici Patrizio Gallone, Trattato di Ingegneria Elettrochimica, Tamburini Editore, Milano, 1973. Hartmut Wendt et al., Electrochemistry, in Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2009 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Derek Pletcher and Frank C. Walsh , Industrial electrochemistry (second edition), Chapman and Hall, London, 1990. Klans Jüttner, Technical Scale of Electrochemistry, in Encyclopedia of Electrochemistry, Edited by A.J. Bard and M. Stratmann Vol. 5 Electrochemical Engineering. Edited by Digby D. Macdonald and Patrik Schmuki Copyright 2007, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Velizar Stanković, Electrochemical Engineering - its appearance, evolution and present status. Approaching an anniversary, J. Electrochem. Sci. Eng. 2 (2012) Morris P. Grotheer, Electrochemical Processing, Inorganic Vol. 9, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 2000, John Wiley & Sons, Inc. D.R. Crow, Principles and applications of Electrochemistry, 1994, 4th edition, Taylor & Francis Group, Boca Raton FL USA
Students are provided in advance with the slides of the lectures. The following books are suggested to improve learning: A) multiphase reactors Westerterp, Van Swaaij, Beenackers, 1984, Chemical Reactor Design and Operation, John Wiley & Sons. Froment, Bischoff, De Wilde, 2011, Chemical Reactor Analysis and Design, John Wiley & Sons. Levenspiel, 1999, Chemical Reaction Engineering, John Wiley & Sons. Rawlings, Ekerdt, 2002, Chemical Reactor Analysis and Design Fundamentals, Nob Hill Publishing. Salmi, Mikkola, Warna, 2011, Chemical Reaction Engineering and Reactor Technology, CRC Press. Kunii, Levenspiel, 1991, Fluidization Engineering, Butterworth-Heinemann. B) elecrtochemical reactors Patrizio Gallone, Trattato di Ingegneria Elettrochimica, Tamburini Editore, Milano, 1973. Hartmut Wendt et al., Electrochemistry, in Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2009 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Derek Pletcher and Frank C. Walsh , Industrial electrochemistry (second edition), Chapman and Hall, London, 1990. Klans Jüttner, Technical Scale of Electrochemistry, in Encyclopedia of Electrochemistry, Edited by A.J. Bard and M. Stratmann Vol. 5 Electrochemical Engineering. Edited by Digby D. Macdonald and Patrik Schmuki Copyright 2007, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Velizar Stanković, Electrochemical Engineering - its appearance, evolution and present status. Approaching an anniversary, J. Electrochem. Sci. Eng. 2 (2012) Morris P. Grotheer, Electrochemical Processing, Inorganic Vol. 9, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 2000, John Wiley & Sons, Inc. D.R. Crow, Principles and applications of Electrochemistry, 1994, 4th edition, Taylor & Francis Group, Boca Raton FL USA
Modalità di esame: prova scritta; prova orale obbligatoria;
L'esame finale mira a verificare l'acquisizione delle conoscenze e delle capacità obiettivo dell'insegnamento (descritte nel campo Risultati di apprendimento attesi) tramite una prova scritta della durata complessiva pari a tre ore ed una prova orale. La prima parte della prova scritta (durata pari a due ore) prevede la risoluzione di esercizi di calcolo sulla progettazione dei reattori chimici polifasici con la possibilità da parte dello studente di consultare materiale didattico personale (libri, appunti, slides fornite a lezione). La seconda parte della prova scritta (durata pari a un’ora), invece, prevede la risposta a domande specifiche sulla parte di elettrochimica senza l’ausilio di strumenti quali libri, appunti, slides, etc. Dopo il superamento della prova scritta si deve superare una prova orale che riguarda solo la parte teorica (dimostrazioni e concetti) dei reattori polifasici. Il voto finale è ottenuto pesando per 5/8 i voti di scritto ed orale relativa ai reattori chimici polifasici e per 3/8 il voto della parte dell'esame scritto relativa ai reattori elettrochimici.
Exam: written test; compulsory oral exam;
The exam aims at verifying the acquisition of the knowledge and capacities that were the purpose of the course (and are reported in the box Expected Learning outcomes) through a written test of a total duration of three hours and an oral exam. The first part of the written test (duration of two hours) involves the resolution of calculation exercises on the design of multiphase chemical reactors with the possibility for the student to consult personal teaching material (books, notes, slides provided during the lessons). The second part of the written exam (duration of one hour), on the other hand, requires answers to specific questions on the electrochemical part without the use of tools such as books, notes, slides, etc. After passing the written examinations an oral examination is required. The oral examination is only about the theory of multiphase reactors (demonstrations and fundamentals). The final mark is obtained by weighting 5/8 the written and oral votes for multiphase chemical reactors and 3/8 the vote of the written exam on electrochemical reactors.


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