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Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici

05QWAMB

A.A. 2024/25

2022/23

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

L'insegnamento intende introdurre gli studenti del terzo anno alle problematiche di base del controllo automatico. L'insegnamento parte dallo studio della dinamica dei processi chimici ed alimentari, trattati con i modelli semplificati studiati negli insegnamenti precedenti di fenomeni di trasporto, termodinamica e reattori chimici. Tali modelli vengono quindi risolti analiticamente con strumenti matematici adeguati, quali trasformate di Laplace, e numericamente, utilizzando simulatori dinamici quali Simulink e Matlab. Vengono poi analizzate le logiche di controllo feed-back classiche con particolare attenzione a stabilità e progettazione dei sistemi controllo. Infine vengono brevemente presentate le tecniche di controllo avanzate, la strumentazione industriale (con particolare attenzione all'industria alimentare) e le nozioni di base relative a stesura e lettura di un Piping and Instrumentation Diagram.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

La sicurezza di processo è quella materia che si occupa di prevenire infortuni ed incidenti attraverso la definizione delle corrette modalità di progettazione e di conduzione dei processi produttivi oltre che attraverso la formazione specifica del personale coinvolto ad ogni livello. In questo contesto il modulo di sicurezza si propone di fornire allo studente i concetti base di prevenzione dei rischi nell'industria di processo. Si presentano sommariamente le norme vigenti, gli obblighi e le relative responsabilità che un Ingegnere dovrà sostenere nel corso della propria carriera lavorativa. Succesivamente si presentano i concetti di rischio e pericolo, i concetti di rischi chimico e le proprietà pericolose delle sostanze (tossicità, infiammabilità, ecc.) affinchè l'allievo possa valutare i pericoli derivanti dall'uso di prodotti tossici e/o infiammabili al fine di garantire la salubrità dell'ambiente di lavoro e proteggere l'ambiente circostante uno stabilimento. Si presentano le principali tipologie di scenari incidentali (esplosioni, incendi, rilasci tossici) e si forniscono gli strumenti metodologici e operativi per valutare pervenirne l'accadimento e minimizzarne l'entità delle conseguenze.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

This course introduces and addresses the problem of controlling dynamic processes. The course focuses at the beginning on the study of the dynamics of chemical and food processes, treated with the simplified models studied in the previous courses of transport phenomena, thermodynamics, and chemical reactors. These models are then solved analytically with suitable mathematical tools such as Laplace transforms, and numerically using dynamic simulators such as Simulink and Matlab. The classic feed-back control models are then analyzed, with particular attention to the stability and design of the control systems. Finally, advanced control techniques, industrial instrumentation (with particular attention to the food industry) and the basic notions relating to drafting and reading of a Piping and Instrumentation Diagram are briefly presented.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

Process safety is the science that deals with preventing injuries and accidents by defining the correct methods of designing and conducting production processes as well as through specific training of the personnel involved at all levels. In this context, the safety module aims to provide the student with the basic concepts of risk prevention in the process industry. The current regulations, the obligations, and the relative responsibilities that an Engineer will have to bear during his / her career are summarized. Subsequently, the concepts of risk and hazard, the concepts of chemical hazard, and the hazardous properties of substances (toxicity, flammability, etc.) are presented so that the student can evaluate the hazard deriving from the use of toxic and/or flammable products in order to to guarantee the healthiness of the working environment and protect the environment surrounding a factory. The main types of accident scenarios are presented (explosions, fires, toxic releases) and the methodological and operational tools are provided to evaluate the occurrence and minimize the extent of the consequences.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

L'obiettivo principale è lo sviluppo della capacità di progettare e gestire autonomamente sistemi di controllo automatico. In particolare gli allievi acquisiranno le conoscenze e le abilità volte a: - ricavare modelli matematici dettagliati e semplificati per lo studio della dinamica dei processi chimici - simulare il comportamento dinamico dei processi al calcolatore - programmare attività industriali di sperimentazione per l'identificazione parametrica (cioè la determinazione delle costanti e dei parametri che compaiono in tali modelli) - scegliere e progettare il tipo di strumentazione industriale necessaria per il controllo automatico - progettare sistemi di controllo feed-back proporzionali, proporzionali integrali, proporzionali derivativi e proporzionali integrali derivativi - avere familiarità con le tecniche di controllo avanzate (feed-forward, rapporto, auctioneering, ...) - leggere e comprendere un Piping and Instrumentation Diagram

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

Conoscenze da acquisire: Concetti di rischio e pericolo e loro quantificazione; Responsabilità e compiti secondo la normativa vigente; Proprietà pericolose delle sostanze e preparati; Tipologie di incidenti industriali. Capacità da conseguire: individuare rischi e pericoli connessi con la presenza di determinate sostanze considerate le condizioni di processo; Stimare le conseguenze di un evento incidentale; Prevenire un incidente industriale; Minimizzare le conseguenze di un incidente industriale approfondire autonomamente argomenti specifici mediante la lettura di testi e pubblicazioni tecnico-scientifiche.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

The main objective is to develop the ability to independently design and manage automatic control systems. In particular, students will acquire the knowledge and skills aimed at: - obtain detailed and simplified mathematical models for the study of the dynamics of chemical processes - simulate the dynamic behavior of processes by using dynamic simulators - program industrial testing activities for parametric identification (i.e. the determination of the constants and parameters that appear in models) - choose and design the type of industrial equipment necessary for the automatic control - design proportional, proportional integral, proportional derivative and proportional integral derivative feed-back control systems - be familiar with advanced control techniques (feed-forward, report, auctioneering, ...) - read and understand a Piping and Instrumentation Diagram

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

Knowledge to acquire: Risk and hazard concepts and their quantification; Responsibilities and duties according to current legislation; Hazardous properties of substances; Types of industrial accidents. Skills to be achieved: identify risks and hazards associated with the presence of certain substances considering the process conditions; Estimate the consequences of an incident; Prevent an industrial accident; Minimize the consequences of an industrial accident Autonomously deepen specific topics by reading technical-scientific texts and publications.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

Gli studenti potranno proficuamente seguire l'insegnamento solo se sono in grado di: - risolvere equazioni e disequazioni di secondo grado, risolvere integrali e derivate semplici in variabile singola, risolvere equazioni differenziali e sistemi di equazioni differenziali lineari a coefficienti costanti, effettuare studi di funzione in campo reale e semplici calcoli con numeri complessi. - risolvere equazioni di bilancio macroscopiche (in condizioni dinamiche) di materia, energia e quantità di moto - utilizzare i modelli fluidodinamici semplificati di flusso a pistone e perfettamente miscelato ed i modelli cinetici più comuni (ad esempio legge di Arrhenius) - tradurre in equazioni algebriche condizioni di equilibrio termodinamico - utilizzare ambienti di simulazione quali Matlab

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

Nozioni di base di Chimica, fisica, matematica.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

Students can profitably follow the course only if they are able to: - solve equations and second degree inequalities, solve simple one dimensional integrals and derivatives, solve differential equations and systems of linear differential equations with constant coefficients, study the behavior of functions in the real field and simple calculations with complex numbers. - solve macroscopic balance equations (under dynamic conditions) of matter, energy and momentum - use the simplified fluid-dynamic models of piston flow and perfectly mixed and the most common kinetic models (for example Arrhenius' law) - translate thermodynamic equilibrium conditions into algebraic equations - use simulation environments such as Matlab

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

Base skills in mathematics, physics, chemistry

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

Introduzione al controllo di processo: - Specifiche e necessità del controllo per un impianto di processo; - Configurazioni generali di sistemi di controllo: feed-back e feed-forward; - Struttura e componenti del sistema di controllo e risposta in transitorio. Studio del comportamento dinamico di processi chimici - Bilanci macroscopici e locali di materia, energia e quantità di moto; - Elementi introduttivi all’analisi dinamica: trasformata di Laplace; - Dinamica dei sistemi lineari a basso ordine e di ordine superiore; - Sistemi a risposta inversa e con ritardo. Analisi della risposta in frequenza. Controllo di processi chimici - Controllo di sistemi SISO (single-input/single-output); - Sistemi di controllo a retro-azione (feedback) e loro progettazione; - Sistemi di controllo avanzati per processi con dinamiche "complesse"; - Controllo con sistemi digitali e controllo digitale diretto; - Significato, utilizzo e strutture di P&ID (Piping and Instrumentation Drawings); - Esemplificazioni particolari per impianti e apparecchiature tipiche dell’industria di processo; - Monitoraggio del processo: misura di portata, temperatura, pressione, viscosità e composizione; Simulazione di processo - Introduzione ai simulatori dinamici (Simulink e Matlab Control System Toolbox).

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

Le norme, gli obblighi e le responsabilità in materia di sicurezza del lavoro. Il fenomeno infortunistico e quello delle malattie professionali. I rischi nell'industria di processo La tossicità delle sostanze. Prevenzione e protezione contro gli incendi ed esplosioni. Scenari incidentali: UVCE, Fireball, Jet Fire, Pool fire, rilasci in atmosfera

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

Introduction to process control: - Specifications and needs of the control for a process plant; - General configurations of control systems: feed-back and feed-forward; - Structure and components of the system control and transient response. Study of the dynamic behavior of chemical processes - Macroscopic and local balances of matter, energy and momentum; - Introductory elements to dynamic analysis: Laplace transform; - Dynamics of low order and higher order linear systems; - Reverse response and delayed systems. Frequency response analysis. Control of chemical processes - Control of SISO systems (single-input / single-output); - Feed-back controllers and their design; - Advanced control systems for processes with "complex" dynamics; - Control with digital systems and direct digital control; - Meaning, use and structures of P&ID (Piping and Instrumentation Drawings); - Particular examples for plants and equipment typical of the process industry; - Process monitoring: flow, temperature, pressure, viscosity and composition measurement; Process simulation - Introduction to dynamic simulators (Simulink and Matlab Control Toolbox).

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

The rules, obligations and responsibilities in the field of occupational safety. The accident phenomenon and that of occupational diseases. The risks in the process industry The toxicity of substances. Prevention and protection against fires and explosion. Accident scenarios: UVCE, fireball, Jet fire, gaseous releases, pool fire.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

Le lezioni sono alternate a esercitazioni di calcolo sugli argomenti affrontati a lezione, nonché a esercizi svolti al calcolatore. Nell’insegnamento sono previste delle attività in laboratorio informatico, nel quale lo studente potrà mettere in pratica quanto visto durante le lezioni. Durante l’insegnamento è previsto che gli studenti si occupino di svolgere individualmente delle esercitazioni di calcolo al calcolatore (per un totale di 4 esercitazioni) che riguarderanno lo studio del comportamento dinamico e della progettazione di un controllore per alcuni processi chimici assegnati; queste saranno da svolgere con l’ausilio di programmi di simulazione quali Matlab. Queste esercitazioni verranno valutate e costituiranno il 50% della valutazione finale. Infine, l'insegnamento prevede anche una esperienza in laboratorio didattico in cui verranno testati in un sistema reale (da banco) alcuni dei concetti visti a lezione: la presenza a questa esperienza e' facoltativa.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

Il modulio di sicurezza è organizzato in lezioni frontali ed esercitazioni in aula. Le lezioni vertono sui principi teorici definiti nella sezione "programma" e sullo studio di incidenti di piccola e grande scala, anche attraverso la visione di documenti e filmati tratti dal campo (es filmati di telecamere di videosorveglianza) mediante i quali non solo si delineano cause e dinamica dell'incidente ma soprattutto si definiscono gli ambiti di miglioramento (c.d. "lessons learnt") necessari a prevenire il ripetersi di simili circostanze. Durata delle lezioni circa 40 ore Le esercitazioni in aula consistono nell'affrontare problemi di stima delle conseguenze di scenari incidentali. I problemi vengono svolti dagli studenti e discussi in aula. Durata delle esercitazioni circa 20 ore

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

The lessons are alternated with exercises on the topics covered in the lesson, as well as computer exercises. During the course some activities in the computer lab are planned, in which the student will be able to put into practice what was seen during the lessons. During the course students are expected to carry out individually calculation exercises (for a total of 5 exercises) which will concern the study of the dynamic behavior and the design of a controller for some assigned chemical processes, to be carried out with the help of simulation programs such as Matlab. These exercises will be evaluated and will constitute 50% of the final evaluation.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

The safety module is organized in classroom lectures. the small number of hours does not allow the carrying out of calculation exercises.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

I seguenti testi sono consigliati per chiarimenti sugli argomenti trattati a lezione: 1. Chau. P.C., Process Control (a first course with Matlab). Cambridge University Press, 2002. 2. Seborg, D.E., T.F. Edgar, D.A. Mellichamp and F.J. Doyle III, Process Dynamics and Control. John Wiley & Sons, New York, 2010. 3. Ogunnaike, B. A., Ray, H. E. Process Dynamics, Modeling and Control. Oxford University Press, 1994.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

Daniel Crowl, Joseph F. Louvar, Chemical Process Safety, Prentice Hall eds., 3rd ed., 2011

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

The following texts are recommended for clarification on the topics covered in class: 1. Chau. P.C., Process Control (a first course with Matlab). Cambridge University Press, 2002. 2. Seborg, D.E., T.F. Edgar, D.A. Mellichamp and F.J. Doyle III, Process Dynamics and Control. John Wiley & Sons, New York, 2010. 3. Ogunnaike, B. A., Ray, H. E. Process Dynamics, Modeling and Control. Oxford University Press, 1994.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

Daniel Crowl, Joseph F. Louvar, Chemical Process Safety, Prentice Hall eds., 3rd ed., 2011

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Elaborato progettuale individuale;

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;

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Exam: Written test; Optional oral exam; Individual project;

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Exam: Written test; Compulsory oral exam;

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

La verifica dell’apprendimento ha l’obiettivo di accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma dell’insegnamento, la capacità dello studente di applicare la teoria ed i relativi metodi di calcolo alla soluzione di esercizi, anche tramite l’uso degli strumenti informatici visti durante l’insegnamento. Essa avviene mediante una prova scritta, in cui viene accertata la conoscenza della materia tramite quesiti teorici. Durante lo svolgimento della prova non è consentito consultare libri o appunti. I risultati della valutazione vengono comunicati sul portale della didattica. La valutazione dell’esame scritto costituirà il 50% del voto finale, mentre il restante 50% verrà dalla valutazione delle esercitazioni di calcolo individuale. Viene data la possibilità allo studente di sostenere una ulteriore prova orale facoltativa.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

La prova scritta verte sui contenuti del modulo di sicurezza e si compone di 20 domande a risposta chiusa ed una a risposta aperta che consiste in un esercizio di calcolo del tipo affrontato ad esercitazione. Il risultato di questa prova è espresso in trentesimi e fa media col voto del colloquio orale obbligatorio. Al fine di superare il modulo di sicurezza occorre conseguire almeno 18/30 sia nella prova scritta che durante il colloquio orale. Si accede al colloqui orale solo dopo aver conseguito la sufficienza nella prova scritta

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.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

Exam: Written test; Optional oral exam; Individual project;

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

Exam: Written test; Compulsory oral exam;

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Controllo e strumentazione per i processi chimici)

The learning assessment aims to ascertain the knowledge of the topics listed in the program of the course, the student's ability to apply the theory and the related calculation methods to the solution of exercises. It takes place through a written test lasting 1.5 hours, in which the student's ability to perform numerical exercises is assessed, which are designed to evaluate the ability to perform practical calculations, and simple theoretical questions, to verify the basic knowledge of the topics presented in the course. During the test it is not allowed to consult books or notes. The results of the exam are communicated on the teaching portal, together with the date in which the students can view the test and give the optional oral exam. After the written test, the exam can be concluded (in this case with a maximum grade of 26/30) or it can be continued with a further oral exam, which aims at evaluating the understanding of the course contents in depth and the ability to apply the theory to questions of a practical nature.

Controllo, strumentazione e sicurezza per i processi chimici (Sicurezza nei processi industriali)

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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