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Fenomeni di trasporto e reattori chimici

01QVZMB

A.A. 2020/21

2020/21

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

L'insegnamento ha il compito di fornire conoscenze fondamentali riguardanti il trasporto di materia, energia, quantità di moto e le loro applicazioni di base.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

L'insegnamento ha il compito di fornire conoscenze fondamentali riguardanti il progetto e la gestione delle apparecchiature utilizzate nei processi di trasformazione chimica della materia. Nel corso sono inoltre presentati i principali tipi di reattori omogenei ideali e sono ricavate le relazioni che ne descrivono il comportamento al variare delle condizioni operative.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

The course has the task of providing fundamental knowledge regarding the transport of matter, energy, momentum and their basic applications.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

The course has the task of providing fundamental knowledge regarding the design and management of the equipment used in the chemical transformation processes of the material. The main types of ideal homogeneous reactors are also presented during the course and the relations that describe their behavior with varying operating conditions are derived.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

L'allievo acquisirà conoscenze fondamentali sui seguenti argomenti: - bilanci integrali e locali di materia, quantità di moto ed energia. - meccanica dei fluidi e trasporto di quantità di moto. - trasporto di calore per conduzione, convezione ed irraggiamento. - trasporto di materia con meccanismo diffusivo ed in regime turbolento. - analogie tra i fenomeni di trasporto, coefficienti di trasferimento. Al termine del corso l'allievo dovrà essere in grado di descrivere fenomenologicamente ed analiticamente i fenomeni di trasporto di materia, energia e quantità di moto impostando correttamente le equazioni di bilancio integrale e locale delle suddette proprietà.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

L'allievo acquisirà conoscenze fondamentali sui seguenti argomenti: - cinetica dei processi chimici omogenei, enzimatici e microbiologici; - bilanci di materia ed energia in reattori ideali continui e discontinui; - modelli fluidodinamici, funzioni distributive dei tempi di permanenza; - Ottimazione e controllo termico di processi esotermici. Al termine del corso l'allievo dovrà essere in grado di determinare i parametri fondamentali di progetto di un reattore chimico ed identificare le condizioni operative ottimali.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

The student will acquire fundamental knowledge on the following topics: - integral and local balance sheets of matter, momentum and energy. - fluid mechanics and momentum transport. - heat transfer by conduction, convection and radiation. - transport of matter with diffusive mechanism and in a turbulent regime. - analogies between transport phenomena, transfer coefficients. At the end of the course the student must be able to phenomenologically and analytically describe the phenomena of transport of matter, energy and momentum by correctly setting the integral and local balance equations of the aforementioned properties.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

The student will acquire fundamental knowledge on the following topics: - kinetics of homogeneous, enzymatic and microbiological chemical processes; - material and energy balances in continuous and discontinuous ideal reactors; - fluid dynamic models, distribution functions of residence times; - Optimization and thermal control of exothermic processes. At the end of the course the student must be able to determine the basic design parameters of a chemical reactor and identify the optimal operating conditions.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Fondamenti di calcolo differenziale e integrale.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Fondamenti di calcolo differenziale e integrale.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Basic integral and differential calculus.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Basic integral and differential calculus.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Bilanci integrali di proprietà: termini delle equazioni di bilancio, bilanci di materia, velocità di reazione, bilancio di quantità di moto in sistemi fluidi, bilanci di energia (bilancio entalpico, bilancio di energia meccanica in un fluido, equazione di Bernoullli generalizzata). Introduzione al trasporto di proprietà: trasporto molecolare in fasi gassose ideali e rarefatte, leggi di Fick, Fourier e Newton, proprietà di trasporto (viscosità, conducibilità termica e diffusività binaria di materia), classi reologiche, fenomenologia della turbolenza. Elementi di meccanica dei fluidi: fluidi in condizioni statiche: legge di Stevin, sollecitazioni sui recipienti, spinta di galleggiamento; fluidodinamica e trasporto di quantità di moto: sforzi di taglio, moto laminare in condotti, fattore d'attrito, dissipazioni di energia locali e distribuite; fluidi e solidi in moto relativo: coefficiente di forma, velocità di caduta libera, moto di fluidi e fattori d'attrito in letti granulari, fluidizzazione di letti particellari. Trasporto di calore: conduzione monodirezionale in fasi solide omogenee e composite in assenza ed in persenza di generazione termica; trasporto termico convettivo: convezione forzata e naturale, coefficienti di scambio termico, resistenze in serie e coefficiente globale, analogia con il trasporto di quantità di moto, irraggiamento: assorbimento ed emissione di energia radiante, emissività, legge di Kirchoff, corpi neri, legge di Lambert, spettro di emissione, relazioni di Planck e di Wien, irraggiamento tra corpi neri e grigi, fattori di vista. Trasporto di materia: flussi di massa e molari, flusso diffusivo in sistemi binari, contro-diffusione equimolare, diffusione in mezzo stagnante, trasporto interfase e convettivo: coeffficienti di scambio di materia, modelli del film e della penetrazione, forza motrice e coefficiente globale e resistenza controllante, coefficiente volumico. Bilanci locali di proprietà e trasporto in un continuo fluido: modalità di osservazione del sistema, termini dei bilanci locali, equazione di continuità, bilancio locale di quantità di moto e campo di velocità, tensore degli sforzi, equazioni del moto in regime laminare ed in forma adimensionata, bilancio locale di energia, bilanci di energia cinetica e termini dissipativi, seconda legge di Fourier, bilancio locale di materia in sistemi multi-componente.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Grandezze fondamentali ed equazioni cinetiche: velocità di reazione, conversione, selettività e resa; cinetica dei processi chimici omogenei, ordine di reazione, relazione di Arrhenius, energia di attivazione. Reattori chimici ideali: reattore discontinuo perfettamente miscelato, relazioni conversione-tempo in condizioni isoterme, produttività ottimale, incremento adiabatico di temperatura, profili temporali di conversione e temperatura; reattore continuo tubolare con flusso a pistone: bilanci locali di materia, conversione in sistemi isotermi, bilanci locali di energia, profili assiali di conversione e temperatura in reattori adiabatici e non adiabatici; reattore continuo perfettamente miscelato: conversione in condizioni stazionarie, stabilità e molteplicità di stati stazionari. Sistemi ibridi: reattore tubolare con riciclo, cascata di reattori perfettamente miscelati. Reattori continui con fluidodinamica non ideale: modelli per reattori tubolari: dispersione assiale di materia, modello bidimensionale; modelli per reattori miscelati: zone stagnanti, by-pass, modelli a due parametri; distribuzione dei tempi di permanenza: funzioni distributive, traccianti, stima dei parametri fluidodinamici, micro e macrofluidi, segregazione e sequenza di miscelazione; Selettività e resa in reattori chimici con reazioni multiple: reazioni parallele e consecutive in reattori continui e discontinui, condizioni operative ottimali. Ottimazione di temperatura per processi reversibili esotermici: temperatura ottimale e temperatura di equilibrio, reattore tubolare con stadi adiabatici inter-refrigerati. Run-away in reattori chimici: fenomenologia del run-away, MTSR e TMR, reazioni secondarie, valutazione della criticità. Reattori per processi enzimatici: equazione cinetica di Michaelis-Menten, stima delle costanti cinetiche, influenza delle variabili operative (temperatura e pH), processi enzimatici in reattori continui e discontinui, fenomeni di inibizione competitiva e non competitiva. Reattori per processi microbiologici: equazione cinetica di Monod, stechiometria e bilanci di materia, crescita di biomasse in reattori discontinui e continui, stima delle costanti cinetiche, diagrammi operativi, washout della biomassa in reattori miscelati continui, inibizione da prodotto.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Integral proprietary balance: terms of balance equations, balance of matter, reaction rate, momentum balance in fluid systems, energy balance (enthalpy balance, balance of mechanical energy in a fluid, generalized Bernoullli equation). Introduction to the transport of properties: molecular transport in ideal and rarefied gas phases, Fick, Fourier and Newton laws, transport properties (viscosity, thermal conductivity and binary diffusivity of matter), rheological classes, phenomenology of turbulence. Elements of fluid mechanics: fluids in static conditions: Stevin's law, stresses on vessels, buoyancy; fluid dynamics and momentum transport: shear stresses, laminar motion in conduits, friction factor, local and distributed energy dissipation; fluids and solids in relative motion: form coefficient, free fall speed, fluid motion and friction factors in granular beds, fluidization of particle beds. Heat transport: unidirectional conduction in homogeneous and composite solid phases in the absence and in the absence of thermal generation; convective heat transport: forced and natural convection, heat transfer coefficients, series resistances and global coefficient, analogy with the transport of momentum, radiation: absorption and emission of radiant energy, emissivity, Kirchoff's law, black bodies, law of Lambert, emission spectrum, Planck and Wien relations, irradiation between black and gray bodies, visual factors. Matter transport: mass and molar flows, diffusive flow in binary systems, equimolar counter-diffusion, diffusion in stagnant medium, interphase and convective transport: material exchange coefficients, film and penetration models, motive force and global coefficient and controlling resistance, volume coefficient. Local owned and transported balances in a continuous fluid: system observation mode, local balance terms, continuity equation, local momentum and speed range balance, stress tensor, laminar and fit motion equations dimensionless, local energy balance, kinetic energy balance and dissipative terms, Fourier's second law, local material balance in multi-component systems.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Variables and kinetic equations: reaction rate, conversion, selectivity and yield; kinetics of homogeneous chemical processes, reaction order, Arrhenius law. Ideal chemical reactors: perfectly mixed batch reactor: conversion vs. time in isothermal conditions, optimal productivity, adiabatic temperature rise, conversion and temperature vs. time; PFR: local mass balance, conversion in isothermal systems, local energy balance, axial profiles of conversion and temperature in adiabatic and non-adiabatic systems; CSTR: conversion in steady state, stability and multiplicity. Hybrid systems: tubular reactor with recycled flow, cascade of CSTRs. Continuous reactors with non-ideal fluid dynamics: models for tubular reactors: axial dispersion, bidimensional model; models for mixed reactors: stagnant zones, by-pass, two-parameter models; residence times distribution: distribution functions, tracers, parameter estimation, micro and macro.fluids; Selectivity and yield in chemical reactors with multiple reactions: parallel and consecutive reactions, optimal operating conditions. Temperature optimisation for reversible exothermic processes: optimala and equilibrium temperatures, tubular reactors with intercoolers. Run-away in chemical reactors: run-away phenomenology, MTSR and TMR, run-awayreactions, risk classification. Reactors for enzymatic processes: Michaelis-Menten kinetic, kinetic constants estimate, influence of operating conditions (temperature and pH), enzymatic processes in continuous and batch reactors, competitive and non-competitive inhibition phenomena. Reactors for microbiological processes (6 hours): Monod kinetics, stoichiometry and mass balance, biomass growth in batch and continuous reactors, kinetic constants estimate, operative plots, biomass washout in a CSTR, product inhibition.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Le esercitazioni in aula consisteranno nella risoluzione di problemi di fenomeni di trasporto. E' prevista una esercitazione in laboratorio la cui frequenza è obbligatoria: studio della diffusione di materia in un fluido stagnante e misura della dissipazioni di energia meccanica in fluidi in moto. Ogni squadra dovrà preparare una relazione sulle sperimentazioni eseguite.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Le esercitazioni in aula consisteranno nella risoluzione di problemi di reattoristica chimica. E' prevista una esercitazione in laboratorio la cui frequenza è obbligatoria: Studio cinetico della idrolisi alcalina di un estere organico e realizzazione del processo in reattori continui. Ogni squadra dovrà preparare una relazione sulle sperimentazioni eseguite.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

The classroom exercises will consist in solving problems of transport phenomena. A laboratory exercise is scheduled whose attendance is mandatory: study of the diffusion of matter in a stagnant fluid and measurement of the dissipation of mechanical energy in moving fluids. Each team will have to prepare a report on the experiments performed.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

The classroom exercises will consist in solving chemical reactor problems. A laboratory exercise is scheduled whose attendance is mandatory: Kinetic study of alkaline hydrolysis of an organic ester and realization of the process in continuous reactors. Each team will have to prepare a report on the experiments performed.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Le dispense del corso sono disponibili sul portale dell'insegnamento. Testi di referimento - Transport Phenomena di R.B. Bird et al. - New York: Wiley, 2002

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Le dispense del corso sono disponibili sul portale dell'insegnamento. Testi di referimento - Chemical Reaction Engineering di O. Levenspiel - J. Wiley & Sons, 1999.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Handouts are available on the web page of the course. Reference books: - Transport Phenomena / R.B. Bird et al. - New York: Wiley, 2002

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Handouts are available on the web page of the course. Reference books: - Chemical Reaction Engineering / O. Levenspiel - J. Wiley & Sons, 1999

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Modalità di esame: Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Modalità di esame: Prova scritta su carta con videosorveglianza dei docenti;

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Esame scritto in due parti: nella prima si dovrà rispondere ad una serie di domande di carattere teorico, nella seconda dovranno essere svolti due esercizi di calcolo.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Esame scritto in due parti: nella prima si dovrà rispondere ad una serie di domande di carattere teorico, nella seconda dovranno essere svolti due esercizi di calcolo.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Exam: Computer-based written test using the PoliTo platform;

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Exam: Paper-based written test with video surveillance of the teaching staff;

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Written examination in two parts: the first one consist of a series of theoretical questions, the second of two calculation exercises.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Written examination in two parts: the first one consist of a series of theoretical questions, the second of two calculation exercises.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova scritta su carta con videosorveglianza dei docenti;

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova scritta su carta con videosorveglianza dei docenti;

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Esame scritto in due parti: nella prima si dovrà rispondere ad una serie di domande di carattere teorico, nella seconda dovranno essere svolti due esercizi di calcolo.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Esame scritto in due parti: nella prima si dovrà rispondere ad una serie di domande di carattere teorico, nella seconda dovranno essere svolti due esercizi di calcolo.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Exam: Written test; Paper-based written test with video surveillance of the teaching staff;

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Exam: Written test; Paper-based written test with video surveillance of the teaching staff;

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Written examination in two parts: the first one consist of a series of theoretical questions, the second of two calculation exercises.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Written examination in two parts: the first one consist of a series of theoretical questions, the second of two calculation exercises.

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