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Fenomeni di trasporto e reattori chimici

01QVZMB

A.A. 2022/23

2022/23

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

L’insegnamento fornisce una conoscenza di base dei meccanismi di trasporto di quantità di moto, materia ed energia, nonché la capacità di prevederne quantitativamente la velocità di trasferimento.

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

Scopo dell’insegnamento è fornire agli allievi gli strumenti fondamentali per il progetto delle apparecchiature utilizzate nei processi di trasformazione chimica della materia. Nelle lezioni dell’insegnamento sono 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)

This course provides a basic knowledge of the transport mechanisms of momentum, mass, and energy, as well as the ability to quantitatively predict the rate of transfer.

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

The aim of the course is to provide the basic tools for the design and the operation of chemical reactors. The main types of homogeneous reactors are presented and their performance (conversion, yield and selectivity) are expressed as functions of the operating conditions.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Al termine dell'insegnamento, l'allievo/a dovrà essere in grado di descrivere fenomenologicamente e analiticamente i meccanismi di trasferimento di quantità di moto, energia e materia, nonché di risolvere problemi di scambio delle anzidette proprietà nel caso di sistemi con geometrie semplici. Nello specifico, l'allievo/a acquisirà conoscenze fondamentali sui seguenti argomenti: 1. Bilanci integrali e locali di materia, quantità di moto ed energia; 2. Meccanica dei fluidi e trasporto di quantità di moto; 3. Trasporto di calore per conduzione, convezione e irraggiamento; 4. Trasporto di materia con meccanismo diffusivo e convettivo 4. Coefficienti di scambio di calore e di materia all'interfaccia; 5. Analogia tra i fenomeni di trasporto e i coefficienti di trasferimento.

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

Conoscenze da acquisire: - 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. Capacità da conseguire: scegliere il tipo di reattore ed identificare le condizioni operative ottimali in relazione alle caratteristiche del processo chimico;

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)

Kinetics of homogeneous, enzymatic and microbiological chemical processes ; Mass and energy conservation principles in reactive systems; Non ideal flow models for continuous reactors and residence time distribution Application of model equations to the design of reactors and to kinetic investigWritten examination in two parts: the first one consist of a series of theoretical questions, the second of two calculation exercises.ation. Skills to be achieved Reactor choice and identification of the optimal operating conditions on the basis of the chemical process features;

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

L'allievo deve conoscere i fondamenti della fisica e dell’analisi matematica.

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Fondamenti di calcolo differenziale e integrale. Bilanci di materia e di energia.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Basic integral and differential calculus.

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

Good knowledges in the fields of thermodynamics and transport phenomena.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Gli argomenti trattati nel corso si articolano in quattro parti: (A) Introduzione e bilanci di proprietà (B) Trasporto di quantità di moto B1. Trasporto molecolare e legge di Newton; B2. Viscosità nel caso di gas, liquidi (polimerici e non), sospensioni ed emulsioni; B3. Classi reologiche; B4. Trasporto di quantità di moto per convezione; B5. Fenomenologia della turbolenza; B6. Interazioni fluido-parete e definizione di coefficiente di attrito; B7. Impostazione generale delle equazioni di trasporto per la quantità di moto; B8. Problemi di trasporto di quantità di moto per geometrie semplici. (C) Trasporto di energia C1. Trasporto molecolare di calore (conduzione) e legge di Fourier C2. Conducibilità termica nei gas, liquidi e solidi; C3. Trasporto di calore per convezione (forzata e naturale); C4. Coefficienti di scambio di calore all’interfaccia, interazioni fluido-parete solida e legge di raffreddamento di Newton; C5. Trasporto di calore per irraggiamento: legge di Kirchoff, derivazione legge di Stefan-Boltzmann, interazione radiazione-superfici, scambio di energia tra corpi neri e grigi, fattori di vista; C6. Problemi di trasporto di calore per geometrie semplici. C7. Equazioni generalizzate per il trasporto di calore; C8. Equazioni di bilancio di energia meccanica in un fluido ed equazione di Bernoulli generalizzata; C9. Calcoli di progetto per il dimensionamento di una linea di trasferimento. (D) Trasporto di materia D1. Trasporto molecolare e convettivo di materia in miscele multicomponenti; D2. Diffusione di materia ordinaria e legge di Fick; D3. Diffusione di materia non ordinaria; D4. Impostazione generale delle equazioni di trasporto di materia in una miscela multicomponente; D5. Modelli semplificati per il trasferimento di materia interfacciale; D5. Problemi di trasporto di materia in geometrie semplici; D6. Diffusione in mezzi eterogenei e porosi.

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)

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)

L’insegnamento si articola in lezioni (in aula) ed esercitazioni di calcolo in cui verranno applicati i concetti visti a lezione.

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

In aula saranno svolti esercizi di calcolo analoghi a quelli dei temi d'esame (dimensionamento di reattori ideali omogenei e definizione delle condizioni operative in relazione alle specifiche di processo). E' prevista una esercitazione in laboratorio la cui frequenza è facoltativa ed avente come oggetto lo studio cinetico della idrolisi alcalina di un estere organico e realizzazione del processo in reattori continui.

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)

In aula saranno svolti esercizi di calcolo analoghi a quelli dei temi d'esame (dimensionamento di reattori ideali omogenei e definizione delle condizioni operative in relazione alle specifiche di processo). Sono previste due esercitazioni in laboratorio la cui frequenza è obbligatoria: 1) Studio cinetico della idrolisi alcalina di un estere organico e realizzazione del processo in reattori continui. 2) studio della distribuzione dei tempi di permanenza in reattori continui mediante prove sperimentali con sostanza tracciante. Ogni squadra dovrà preparare una relazione sulle sperimentazioni eseguite.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

R.B. Bird, W.E. Stewart and E.N. Lightfoot, Transport Phenomena, 2nd edition, Wiley, 2002.

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

Le dispense delle lezioni ed una raccolta di esercizi saranno disponibili sul portale dell'insegnamento. I seguenti riferimenti bibliografici sono consigliati come testi di riferimento in materia di reattoristica: K. .R. Westerterp et al., Chemical reactors design and operation, Wiley O. Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, Wiley H. S Fogler, Elements of Chemical Reaction Engineering, Prentice Hall

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. Textbooks: K. .R. Westerterp et al., Chemical reactors design and operation, Wiley O. Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, Wiley H. S Fogler, Elements of Chemical Reaction Engineering, Prentice Hall

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Modalità di esame: Prova scritta (in aula);

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

Modalità di esame: Prova scritta (in aula);

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Exam: Written test;

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

Exam: Written test;

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

L’esame consiste di: 1. Una prova scritta (obbligatoria, max. 30 pt); 2. Un colloquio (facoltativo, [-6, +6] pt). La prova scritta ha una durata di 90 minuti e prevede la risoluzione di due esercizi di calcolo e due quesiti di teoria. Durante la prova scritta, l’allievo/a può consultare esclusivamente il materiale fornito dal docente e non può consultare altre fonti di informazione quali libri, manuali o appunti. In caso di valutazione sufficiente della prova scritta (>18 pt), l’allievo/a può accedere alla prova orale. Il colloquio vuole verificare la comprensione dei concetti teorici discussi durante l’insegnamento. Il punteggio di questa prova si somma a quello della prova scritta e può variare nell'intervallo [-6, +6].

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

L’esame dell’insegnamento di Reattori e Cinetiche Chimiche consiste in una prova scritta, nella quale sono presenti una o più domande relative agli argomenti trattati a lezione, e almeno due esercizi di calcolo relativi agli argomenti dell’insegnamento. Durante la prova scritta gli allievi possono consultare esclusivamente il materiale fornito dal docente e non possono usufruire di altre fonti di informazione quali libri, manuali o appunti. Il voto finale dell’insegnamento di Fenomeni di Trasporto e Reattori Chimici è dato dalla media aritmetica delle votazioni attribuite alla prova di Reattori e Cinetiche Chimiche e alla prova di Fenomeni di Trasporto.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Exam: Written test;

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

Exam: Written test;

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Modulo di Fenomeni di Trasporto L’esame consiste in due prove scritte. La prima prova ha una durata di 45 minuti e comprende un ampio insieme di quesiti teorici su tutto il programma del corso; per alcuni quesiti sono proposte risposte predeterminate da opzionare, per altri si richiedono brevi dimostrazioni o la rappresentazione di dati/principi in forma grafica. La seconda prova ha una durata di un'ora e 45 minuti e prevede la risoluzione di esercizi di calcolo relativi a bilanci integrali e fenomeni di trasporto. Durante entrambe le prove scritte, gli allievi possono consultare esclusivamente il materiale fornito dal docente e non possono usufruire di altre fonti di informazione quali libri, manuali o appunti. Il voto finale è dato dalla media aritmetica delle votazioni attribuite alle due prove. Modulo di Reattori Chimici L’esame consiste in due prove scritte. La prima prova ha una durata di 45 minuti e comprende un ampio insieme di quesiti teorici su tutto il programma del corso; per alcuni quesiti sono proposte risposte predeterminate da opzionare, per altri si richiedono brevi dimostrazioni o la rappresentazione di dati/principi in forma grafica. La seconda prova ha una durata di un'ora e 45 minuti e prevede la risoluzione di esercizi di bilancio stechiometrico in sistemi aperti e chiusi, dimensionamento ed ottimazione di reattori chimici. Durante entrambe le prove scritte, gli allievi possono consultare esclusivamente il materiale fornito dal docente e non possono usufruire di altre fonti di informazione quali libri, manuali o appunti. Il voto finale è dato dalla media aritmetica delle votazioni attribuite alle due prove.

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

L’esame consiste in due prove scritte. La prima prova ha una durata di 45 minuti e comprende un ampio insieme di quesiti teorici su tutto il programma del corso; per alcuni quesiti sono proposte risposte predeterminate da opzionare, per altri si richiedono brevi dimostrazioni o la rappresentazione di dati/principi in forma grafica. La seconda prova ha una durata di un'ora e 45 minuti e prevede la risoluzione di esercizi di bilancio stechiometrico in sistemi aperti e chiusi, dimensionamento ed ottimazione di reattori chimici. Durante entrambe le prove scritte, gli allievi possono consultare esclusivamente il materiale fornito dal docente e non possono usufruire di altre fonti di informazione quali libri, manuali o appunti. Il voto finale è dato dalla media aritmetica delle votazioni attribuite alle due prove.

In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
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