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Multiphase chemical reactors

01TXNMW

A.A. 2020/21

Course Language

Italian

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Ingegneria Chimica E Dei Processi Sostenibili - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 60
Esercitazioni in aula 16
Esercitazioni in laboratorio 4
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Banchero Mauro Professore Associato ING-IND/24 46 12 16 0 4
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/24 8 B - Caratterizzanti Ingegneria chimica
Valutazione CPD 2020/21
2020/21
L'insegnamento ha lo scopo di approfondire i principi di funzionamento ed il progetto dei reattori chimici multifase che rappresentano la più importante classe di reattori chimici con applicazioni industriali di processo. I reattori multifase sono sistemi in cui i reagenti si trovano in fasi diverse così come l’eventuale catalizzatore. Il loro progetto richiede la conoscenza delle problematiche di interferenza fra fluidodinamica, fenomeni di trasporto di materia e cinetica chimica e di come queste influenzino le prestazioni del reattore.
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. In multiphase reactors the reactants are found in different phases as well as the catalyst (if present). Their design requires that the problems connected with the overlap between hydrodynamics, mass transfer phenomena and kinetics are well known as well as how these factors eventually affect the reactor performance.
Al termine dell'insegnamento gli studenti avranno avuto modo di comprendere l'importanza della miscelazione e dei fenomeni di trasferimento di materia sulle prestazioni dei reattori multifase. Grazie alle esercitazioni di calcolo, gli studenti saranno in grado di applicare i concetti presentati nelle lezioni alla progettazione dei reattori industriali.
At the end of the course the students should be able to understand the importance of the of mixing and 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.
Per trarre il maggior profitto possibile dall'insegnamento, 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.
Nomenclatura e breve richiamo dei reattori omogenei ideali. Reattori Gas-Liquido e Liquido-Liquido: assorbimento con reazione chimica del primo e del secondo ordine, regimi di reazione lenta e veloce, fattore di amplificazione, numero di Hatta e numero di Hinterland, progetto preliminare di una colonna di assorbimento con reazione chimica. Reazioni catalitiche eterogenee: modelli di Langmuir-Hinshelwood e Eley-Rideal, scelta del modello cinetico e valutazione dei parametri (approccio integrale e differenziale, regressione lineare, metodo della velocità iniziale). Reazioni eterogenee in catalizzatori porosi: fattore di efficienza, modulo di Thiele, numero di Prater. Reattori Solido-Fluido catalitici: modelli monodimensionali e bidimensionali, reattori a letto fluidizzato (modello di Kuni-Levenspiel), disattivazione ed avvelenamento dei catalizzatori, combustori catalitici. Reattori Solido-Fluido non catalitici (modello “shrinking core”). Reattori trifase Solido-Fluido-Fluido: reattori slurry miscelati continui e semibatch; reattori a letto fisso (reattori Trickle Bed). Mixing in sistemi monofase: micro e macromiscelazione. Interazione fra miscelazione e cinetica chimica, effetto sulla selettività di reazioni complesse. Modelli di micromixing: approccio Euleriano e Lagrangiano. Miscelazione in sistemi multifase (gas-liquido, liquido-liquido e solido-liquido). Scelta del sistema di agitazione e criteri di progettazione del reattore. Problematiche di scale-up.
Nomenclature and a short review of ideal homogeneous reactors. Multiphase gas-liquid and liquid-liquid reactors: absorption with first or second order chemical reaction, slow and fast reaction regimes, enhancement factor, Hatta and Hinterland numbers, preliminary design of a packed bed absorption tower with chemical reaction. Kinetics of catalytic heterogeneous reactions: Langmuir-Hinshelwood and Eley-Rideal models, model discrimination and parameter estimation (integral and differential approach, linear regression, method of initial reaction rates). Heterogeneous catalytic reaction in porous particles: effectiveness factor, Thiele modulus, Prater number. Multiphase solid (catalyst)-fluid reactors: mono-dimensional and bi-dimensional models, fluidized bed reactors (Kuni-Levenspiel model), catalyst deactivation and poisoning, catalytic combustors. Non-catalytic solid-fluid reactors (the shrinking core model). Three-phase reactors (solid-fluid-fluid): continuous and semi-batch slurry reactors, fixed-bed reactors (Trickle Bed reactors). Mixing in single-phase systems: micro and macro-mixing. Interaction between mixing and kinetics, effect on the selectivity of complex reactions. Micromixing models: Eulerian and Lagrangian approach. Mixing in multiphase systems (gas-liquid, liquid-liquid and solid-liquid). Choice of the agitation system and reactor design criteria. Scale-up issues.
Le lezioni sono integrate con esercitazioni. Le esercitazioni in aula consistono nella risoluzione, da parte degli allievi, di calcoli di progetto dei reattori come applicazione delle metodiche sviluppate a lezione. E’ prevista anche una esercitazione al laboratorio informatico finalizzata ad illustrare le modalità di scelta del modello cinetico più idoneo ad interpretare dati sperimentali ottenuti per una specifica reazione catalitica eterogenea, ed una esercitazione di laboratorio (virtuale, con analisi di filmati) sul mixing.
Lectures are integrated with numerical exercises aimed at solving simple problems related to the design of reactors as an application of the lesson subjects. A numerical exercise will also be held at the computer lab to show the discrimination strategies for electing the best kinetic model able to fit the experimental data obtained for a specific heterogeneous catalytic reaction. A virtual lab session will be given, analyzing mixing movies, to train student in selection of equipment and operating conditions.
Slides delle lezioni o dispense saranno fornite in anticipo agli studenti. I seguenti testi sono consigliati per approfondire l'apprendimento: 1) Westerterp, Van Swaaij, Beenackers, 1984, Chemical Reactor Design and Operation, John Wiley & Sons. 2) Froment, Bischoff, De Wilde, 2011, Chemical Reactor Analysis and Design, John Wiley & Sons. 3) Levenspiel, 1999, Chemical Reaction Engineering, John Wiley & Sons. 4) Rawlings, Ekerdt, 2002, Chemical Reactor Analysis and Design Fundamentals, Nob Hill Publishing. 5) Salmi, Mikkola, Warna, 2011, Chemical Reaction Engineering and Reactor Technology, CRC Press. 6) Kunii, Levenspiel, 1991, Fluidization Engineering, Butterworth-Heinemann. 7) Harnby N., Edwards M.F., Nienow A.W., 1985, Mixing in the process industries. Butterworths, London. 8) Nagata S., 1975, Mixing. Principles and applications. Kodasha Ltd, Tokyo. 9) Paul E.L., Atiemo-Obeng V.A., Kresta S.M., 2004, Handbook of industrial mixing. Science and practice. Wiley Interscience (testo disponibile come ebook ad accesso gratuito http://www.biblio.polito.it/).
Students are provided in advance with the handouts or slides of the lectures. The following books are suggested to improve learning: 1) Westerterp, Van Swaaij, Beenackers, 1984, Chemical Reactor Design and Operation, John Wiley & Sons. 2) Froment, Bischoff, De Wilde, 2011, Chemical Reactor Analysis and Design, John Wiley & Sons. 3) Levenspiel, 1999, Chemical Reaction Engineering, John Wiley & Sons. 4) Rawlings, Ekerdt, 2002, Chemical Reactor Analysis and Design Fundamentals, Nob Hill Publishing. 5) Salmi, Mikkola, Warna, 2011, Chemical Reaction Engineering and Reactor Technology, CRC Press. 6) Kunii, Levenspiel, 1991, Fluidization Engineering, Butterworth-Heinemann. 7) Harnby N., Edwards M.F., Nienow A.W., 1985, Mixing in the process industries. Butterworths, London. 8) Nagata S., 1975, Mixing. Principles and applications. Kodasha Ltd, Tokyo. 9) Paul E.L., Atiemo-Obeng V.A., Kresta S.M., 2004, Handbook of industrial mixing. Science and practice. Wiley Interscience (available as a free ebook http://www.biblio.polito.it/).
Modalità di esame: Prova orale facoltativa; Elaborato scritto individuale; Elaborato scritto prodotto in gruppo; Prova scritta su carta con videosorveglianza dei docenti;
L'esame finale mira a verificare l'acquisizione delle conoscenze e delle capacità obiettivo dell'insegnamento (descritte nel campo “Risultati di apprendimento attesi”) tramite un elaborato (obbligatorio), una prova scritta (obbligatoria) di durata pari a due ore ed una prova orale facoltativa. L’elaborato potrà consistere in un contributo progettuale, con una sintetica relazione tecnica, relativa a dimensionamento e progettazione di sistemi di miscelazione per reattori industriali, o a una relazione di approfondimento di alcuni aspetti specifici. Tale relazione potrà essere svolta in gruppi per una parte generale, e prevederà poi informazioni di dettaglio da parte di ogni singolo studente. Il voto massimo di questa prova è pari a 30/30. La prova scritta prevede la risoluzione di esercizi di calcolo sulla progettazione dei reattori chimici multifase (esclusi i sistemi di miscelazione). Gli studenti potranno consultare materiale didattico personale (libri, appunti, slides fornite a lezione). Il voto massimo di questa prova è pari a 27/30. La prova orale facoltativa, che potrà essere sostenuta soltanto dopo aver superato le prove precedenti, prevede la risposta a domande specifiche (dimostrazioni e concetti) sulla progettazione dei reattori chimici multifase (esclusi i sistemi di miscelazione). Il voto finale sarà calcolato mediando le votazioni ottenute dalla valutazione dell’elaborato e dalla prova scritta secondo i seguenti pesi: elaborato X 0,25+scritto X 0,75. L’esito della prova orale facoltativa potrà comportare un incremento o un decremento, variabile da 1 a 3 punti, del voto finale. Elenco dettagliato degli argomenti oggetto della prova scritta e di quella orale sarà fornito all’inizio dell'insegnamento.
Exam: Optional oral exam; Individual essay; Group essay; Paper-based written test with video surveillance of the teaching staff;
The exam aims at verifying the acquisition of the knowledge and capacities that were the purpose of the course (and are reported in the “Expected Learning outcomes” box) through a project (mandatory), a two-hour written test (mandatory) an optional oral test. The project consists of a concise technical report, relating to the sizing and design of mixing systems for industrial reactors or deeper investigation of some technical or scientific aspects. This report may be carried out in groups for a general part but will also include detailed information from each individual student. The maximum mark of this test is 30/30. The written test involves the resolution of calculation exercises on the design of multiphase chemical reactors (excluding mixing systems) Students will have the permission to consult personal teaching materials (books, notes, slides provided in class). The maximum mark of this test is 27/30. The optional oral test, which can be taken only after passing the previous tests, requires answers to specific questions (demonstrations and concepts) on the design of multiphase chemical reactors (excluding mixing systems). The final mark will be calculated by averaging the marks obtained from the evaluation of the project work and the written test according to the following weights: project X 0.25 + written test X 0.75. The outcome of the optional oral test may result in an increase or decrease, varying from 1 to 3 points, of the previously calculated final grade. Detailed list of the topics covered by the written and oral tests will be provided at the beginning of the course.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Elaborato scritto individuale; Elaborato scritto prodotto in gruppo; Prova scritta su carta con videosorveglianza dei docenti;
L'esame finale mira a verificare l'acquisizione delle conoscenze e delle capacità obiettivo dell'insegnamento (descritte nel campo “Risultati di apprendimento attesi”) tramite un elaborato (obbligatorio), una prova scritta (obbligatoria) di durata pari a due ore ed una prova orale facoltativa. L’elaborato potrà consistere in un contributo progettuale, con una sintetica relazione tecnica, relativa a dimensionamento e progettazione di sistemi di miscelazione per reattori industriali, o a una relazione di approfondimento di alcuni aspetti specifici. Tale relazione potrà essere svolta in gruppi per una parte generale, e prevederà poi informazioni di dettaglio da parte di ogni singolo studente. Il voto massimo di questa prova è pari a 30/30. La prova scritta prevede la risoluzione di esercizi di calcolo sulla progettazione dei reattori chimici multifase (esclusi i sistemi di miscelazione). Gli studenti potranno consultare materiale didattico personale (libri, appunti, slides fornite a lezione). Il voto massimo di questa prova è pari a 27/30. La prova orale facoltativa, che potrà essere sostenuta soltanto dopo aver superato le prove precedenti, prevede la risposta a domande specifiche (dimostrazioni e concetti) sulla progettazione dei reattori chimici multifase (esclusi i sistemi di miscelazione). Il voto finale sarà calcolato mediando le votazioni ottenute dalla valutazione dell’elaborato e dalla prova scritta secondo i seguenti pesi: elaborato X 0,25+scritto X 0,75. L’esito della prova orale facoltativa potrà comportare un incremento o un decremento, variabile da 1 a 3 punti, del voto finale. Elenco dettagliato degli argomenti oggetto della prova scritta e di quella orale sarà fornito all’inizio dell'insegnamento.
Exam: Written test; Optional oral exam; Individual essay; Group essay; Paper-based written test with video surveillance of the teaching staff;
The exam aims at verifying the acquisition of the knowledge and capacities that were the purpose of the course (and are reported in the “Expected Learning outcomes” box) through a project (mandatory), a two-hour written test (mandatory) an optional oral test. The project consists of a concise technical report, relating to the sizing and design of mixing systems for industrial reactors or deeper investigation of some technical or scientific aspects. This report may be carried out in groups for a general part but will also include detailed information from each individual student. The maximum mark of this test is 30/30. The written test involves the resolution of calculation exercises on the design of multiphase chemical reactors (excluding mixing systems) Students will have the permission to consult personal teaching materials (books, notes, slides provided in class). The maximum mark of this test is 27/30. The optional oral test, which can be taken only after passing the previous tests, requires answers to specific questions (demonstrations and concepts) on the design of multiphase chemical reactors (excluding mixing systems). The final mark will be calculated by averaging the marks obtained from the evaluation of the project work and the written test according to the following weights: project X 0.25 + written test X 0.75. The outcome of the optional oral test may result in an increase or decrease, varying from 1 to 3 points, of the previously calculated final grade. Detailed list of the topics covered by the written and oral tests will be provided at the beginning of the course.
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