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Sostenibilità nell'industria chimica

01TZPMW

A.A. 2019/20

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 20
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Ruggeri Bernardo Professore Associato ING-IND/25 55 0 0 0 1
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/27 8 B - Caratterizzanti Ingegneria chimica
2019/20
Il corso è stato concepito per fornire agli studenti gli elementi chiave di analisi e strumenti pratici per la comprensione dei complessi sistemi di produzione chimica, considerando confini più ampi oltre le strutture industriali. Durante il corso verrà data importanza all'impatto delle attività antropogeniche e alla relazione tra cicli di produzione e consumo umani e cicli naturali presenti nel nostro pianeta, come i cicli del carbonio e dell'acqua. I principi della termodinamica saranno introdotti e utilizzati per analizzare la sostenibilità di sistemi di produzione complessi. L'analisi dei processi chimici sarà focalizzata sulla valutazione delle interazioni tra attività antropogeniche e ambiente per razionalizzare e proporre modifiche verso tecnologie d'avanguardia a minor impatto ambientale utilizzando meno materia ed energia. Verranno introdotte tecniche specifiche che mirano ad ottimizzare la quantità di materia ed energia negli impianti di produzione a partire dalla fase di progettazione, insieme alla minimizzazione delle fasi del processo e all'uso razionale delle utenze e dei servizi ausiliari. Inoltre, saranno forniti approcci metodologici utili per inquadrare la transizione verso l'uso di materiali rinnovabili anziché non rinnovabili e l'analisi di sostenibilità dei servizi energetici utilizzando diversi strumenti quali l' Indice di Sostenibilità Energetica (ESI), il Ritorno di Energia sull'Investimento Energetico (EROI) e il Tempo di Ritorno Energetico (EPT) come indicatori principali. Per le nuove tendenze tecnologiche, l'applicazione del principio di conservazione della materia sarà utilizzata per la determinazione dell'impronta ecologic dell’acqua e delle sostanze inquinanti, seguendo i criteri di allocazione delle risorse e la valutazione delle prestazioni ambientali complessive.
The course has been conceived to provide students with the key elements of analysis and practical tools for the interpretation of complexes chemical production systems, considering broader boundaries beyond industrial facilities. Importance will be given during the course to the impact of anthropogenic activities and the relation between human production and consumption cycles and patterns of natural cycles which are present in our planet, such as carbon and water cycles. The principles of thermodynamics will be introduced and used to analyze the sustainability of complex production systems. The analysis of chemical processes will be focused on the evaluation of the interactions between anthropogenic activities and the environment to rationalize and propose modifications towards cutting-edge technologies with lower environmental impact using less matter and energy. First, specific techniques will be introduced, which aim at optimizing the amount of matter and energy used in production plant starting from the designing phase, along with the minimization of process steps and the rational use of utilities and auxiliary services. Moreover, methodological approaches will be furnished which are useful to frame the transition towards the use of renewable materials instead of nonrenewable as well as sustainability analysis of energy services using different tools as Energy Sustainability Index (ESI), Energy Return On Investment (EROI) and Energy Payback Time as major indicators. For new technological trends, the application of the matter conservation principle will be used for the determination of the water and pollutants footprint, following the criteria of allocation of resources and the evaluation of the overall environmental performance.
L'obiettivo del corso è quello di preparare gli studenti nel comprendere i molti aspetti legati alla sostenibilità e utilizzare le conoscenze fornite, analizzare e definire le caratteristiche di nuovi approcci per modificare le tecnologie per la produzione di beni e servizi per progredire verso la sostenibilità. Al termine del corso verrà richiesto allo studente di acquisire le conoscenze di base per affrontare problemi relativi a: - interazioni tra cicli naturali e attività antropiche - valutazione di come eseguire un'analisi di sostenibilità energetica - conoscenza dei principi dell'approccio sistemico per analisi di sostenibilità dei processi e prodotti: Life Cycle Analysis (LCA).
The aim of the course is to prepare students to understand the many aspects linked to sustainability and to use the knowledge provided, to analyze and define the characteristics of new approach to modify technologies to produce goods and services to move towards sustainability. At the end of the course the student will be asked to have acquired the basic knowledge to face problems related to: - interactions between natural cycles and anthropic activity - assessment of how to perform an energy sustainability analysis - knowledge of the principles of the systemic approach for process sustainability analysis: Life Cycle Analysis (LCA).
Conoscenza dei fondamenti delle operazioni unitarie dell’industria chimica. Padronanza della termodinamica in particolare di quella chimica. Padronanza delle apparecchiatura dell’industria chimica. Conoscenza dei principi del calcolo numerico. Conoscenza dei processi chimici per le produzioni di base e della chimica fine.
Knowledge of the fundamentals of unit operations of chemical industry. Mastery of thermodynamics in particular of chemical thermodynamics. Mastery of chemical plant design. Knowledge of the principles of numerical calculation. Knowledge of chemical processes for basic productions and fine chemistry.
Principi di sostenibilità dei processi: revisione del I e II principio della termodinamica; qualità dell'energia; consumo di energia e lavoro perso; generazione di entropia: cause ed effetti; analisi delle conversioni energeticche: dalle fonti ai servizi energetici finali; i principi di conservazione della materia; risorse e materie rinnovabili e non rinnovabili; modelli cinetici del consumo di materia in sistemi aperti e chiusi; impronta ecologica di prodotti e processi: principi e valutazioni. Analisi di cicli antropogenici complessi: bilanci di massa globali di attività antropogeniche: produzione di ammonio e fertilizzanti; la produzione di acido solforico; la chimica del cloro e l'uso dei suoi derivati nei sistemi di produzione; l'albero petrolchimico e delle materie plastiche; l'analisi dei processi di produzione della carta e del vetro; dai metalli ai beni finali e alla produzione di altri beni assemblati rilevanti. Analisi dei processi di produzione biotecnologica: i cicli del carbonio (biologico, cellulosico e fossile) e le fonti di carbonio come materie prime nel nuovo paradigma delle bioraffinerie; l'uso di processi biotecnologici per accoppiare attività antropiche e cicli naturali; la transizione verso una bio economia, la biotecnologia ambientale per la produzione di energia chimica e i processi di bonifica. Ecologia industriale: andamento storico degli usi della materia e dell'energia, i processi di decarbonizzazione delle fonti energetiche; efficienza energetica: energia per la produzione, energia intrinseca ed energia per usi finali; l'uso dell'efficienza globale di un sistema come strumento alternativo per la progettazione; l'efficienza globale e la sua rilevanza nell'uso della materia; dalle risorse ai prodotti finali dei servizi; servizi, prodotti e rifiuti; la progettazione del disassemblaggio e del riutilizzo. Teoria generale dei sistemi produttivi: fondamenti, capitale naturale, flussi; valutazione dei consumi occulti ed esterni per un determinato processo; teoria dello stato stazionario: variabili termodinamiche ed economiche; principi di feedback e l'evoluzione della produzione industriale. Principi di benchmark ambientale: lo sviluppo di indicatori di eco-efficienza come linee guida per la modifica delle linee di produzione. Sostenibilità energetica: risorse e riserve, tecnologie e servizi; il nuovo paradigma energetico: prossimità, adeguatezza e vitalità; forme di energia: diretta, indiretta, incorporata; criteri energetici per la selezione di tecnologie energeticamente sostenibili: ESI (Energy Sustainability Index), EROI (Energy Return On Invested), EPT (Energy Payback Time). Sostenibilità della materia: limitazioni, riutilizzo, riciclaggio; DE (Design for the Environment): progettazione per il riutilizzo, progettazione per il riciclaggio, progettazione per la degradabilità, progettazione ad evitare materiali pericolosi; ecoefficienza ed ecoservizio. Approccio sistemico: sostenibilità ambientale: LCA (Life Cycle Analysis): obiettivi e scopo, inventario, valutazione dell'impatto, interpretazione; LCA basato su matrice; LCA basata su software; indicatore proxy: energia incorporata, input materiali per unità prodotto/servizio, eco-footprint, eco-indicatore; combinazione di diversi indici con logica fuzzy.
Principles of sustainability of process: revision of I and II principles of thermodynamics; quality of energy; energy consumption and lost work; entropy generation: causes and effects; analysis of energy conversion: from sources to final energy services; the principles of matter conservation; renewable and non-renewable resources and matter; kinetic models of matter consumption in open and close systems; ecological footprint of products and processes: principles and technical evaluation. Analysis of complex anthropogenic cycles: global mass balances of anthropogenic activities: the production of ammonium and fertilizers; the production of sulphuric acid; the chemistry of chlorine and the use of its derivatives in production systems; the tree of petro-chemical and plastic materials; the analysis of paper and glass production processes; from metals to final goods and the production of other relevant assembled goods. Analysis of biotechnological production processes: the carbon cycles (biological, cellulosic and fossil) and carbon sources as feedstocks in the new context of bio-refineries; the use of biotechnological processes to couple anthropogenic activities and natural cycles; the transition towards a bio-based economy, environmental biotechnology for chemicals energy production and remediation processes. Industrial Ecology: historical trend of matter and energy uses, the decarbonization processes of energy sources; energy efficiency: energy for the production, intrinsic energy and energy for final uses; the use of global efficiency of a system as alternative tool for design; the global efficiency and its relevance in the use of the matter; from resources to final products of services; services, products, and wastes ; the design of de-assembling and reuse. General theory of productive systems: founds, natural capital, flows; evaluation of obscured and external consumptions for a given process; steady-state theory: thermodynamic and economic variables; principles of feedback and the evolution of industrial production. Principles of environmental benchmarking: the developing of eco-efficiency indicators as guidelines for the modification of productions lines. Energy sustainability: resources and reserves, technologies and services; the new energy paradigm: proximity, adequacy and vitality; energy forms: direct, indirect, embedded; energy criteria for the selection of most adequate technology: ESI (Energy Sustainability Index), EROI (Energy Return On Invested), EPT (Energy Payback Time). Matter sustainability: limitations, reuse, recycle; DE (Design for the Environment): design for reuse, design for recycling, design for degradability, design avoiding hazardous material; ecoefficiency and ecoservice. System approach: environmental sustainability: LCA (Life Cycle Analysis): goals and scope, inventory, impact assessment, interpretation; matrix based LCA; Software based LCA; proxy indicator: embedded energy, material input per unit product/service, eco-footprints, eco-indicator; combination of different indexes by fuzzy logic.
L'insegnamento prevede lezioni ed esercitazioni in aula.
The course includes lectures and exercises in the classroom.
- "Energy for a Sustainable World", Nicola Armaroli and Vincenzo Balzani, WILEY-VCH, 2011 - "Efficiency and Sustainability in the Energy and Chemical Industries ", Jakob de Swaan Arons, Hedzer van der Kooi, Krishnan Sankaranarayanan, CRC, 2004 - "Designing for the Environment ", B. Ruggeri and A. Robasto, Ranieri Editore, 2002 - "Industrial Ecology" T.E.Gradel and B.R.Allenby, Prentice Hall, 1995 - "Energy and the wealth of Nations", C.A.S.Hall and Kent A.Klitgaard. Springer, 2012 - "Life Cycle Assessment of Renewable Energy Sources" A.Singh, D.Pant and S.I.Olsen Editors, 2013 Verranno inoltre forniti: materiale utilizzato in classe e studi approfonditi su argomenti specifici trattati a lezione.
- "Energy for a Sustainable World", Nicola Armaroli and Vincenzo Balzani, WILEY-VCH, 2011 - "Efficiency and Sustainability in the Energy and Chemical Industries ", Jakob de Swaan Arons, Hedzer van der Kooi, Krishnan Sankaranarayanan, CRC, 2004 - "Designing for the Environment ", B. Ruggeri and A. Robasto, Ranieri Editore, 2002 - "Industrial Ecology" T.E.Gradel and B.R.Allenby, Prentice Hall, 1995 - "Energy and the wealth of Nations", C.A.S.Hall and Kent A.Klitgaard. Springer, 2012 - "Life Cycle Assessment of Renewable Energy Sources" A.Singh, D.Pant and S.I.Olsen Editors, 2013 Will also be provided: both materials used in the classroom and in-depth study on specific topics covered in class.
Modalità di esame: prova orale obbligatoria;
L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale del corso e la capacità di applicare le conoscenze acquisite nell'analisi della sostenibilità energetica ed ambientale di impianti e processi. L'esame consiste in una o due domande o di natura teorica o applicativa su un particolare specifico caso. La valutazione è espressa in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. L’esame si pone l’obiettivo di verificare le competenze di cui sopra (cfr Risultati dell’apprendimento attesi); durante l'esame non è da escludere l'impostazione di un esercizio di calcolo che richiede la necessità di scelte operative per la sua risoluzione. La durata della prova è di circa 1 ora.
Exam: compulsory oral exam;
The exam is aimed at ascertaining the knowledge of the topics listed in the official program of the course and the ability to apply the knowledge acquired in the analysis of energy and environmental sustainability of plants and processes. The exam consists of one or two questions of a theoretical or applicative nature on a particular specific case. The evaluation is xpressed in thirtieths and the exam is passed if the mark given is at least 18/30. The exam aims to verify the above competences (see expected learning outcomes); during the examination it is not possible to exclude the setting of a calculation exercise that requires the need to make operational choices for its resolution. The duration of the test is approximately 1 hour.


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