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.

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.

Per trarre il maggior profitto possibile dall'insegnamento, gli studenti devono possedere buone conoscenze di termodinamica, cinetica chimica, fenomeni di trasporto.

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.

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.

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/).

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.

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.