Il corso ha lo scopo di approfondire i principi di funzionamento ed il progetto dei reattori chimici polifasici che rappresentano la più importante classe di reattori chimici con applicazioni industriali di processo. La parte di programma relativa ai reattori elettrochimici si propone di illustrare gli aspetti fondamentali dell'elettrochimica finalizzata all'ingegneria di processo, allo scopo di discutere le applicazioni di maggior interesse ingegneristico nei settori della elettrochimica industriale e della conversione elettrochimica dell'energia.

Al termine del corso gli studenti avranno avuto modo di comprendere l'importanza dei fenomeni di trasferimento di materia sulle prestazioni dei reattori polifasici. Grazie alle esercitazioni di calcolo, gli studenti saranno in grado di applicare i concetti presentati nelle lezioni alla progettazione dei reattori industriali. Nell'ambito della reattoristica elettrochimica, gli studenti impareranno a valutare l'importanza dell'impiego di reattori elettrochimici confrontati con i reattori tradizionali, sia in termini di selettività dei processi che in termini di efficienza energetica e di impatto ambientale. In particolare, gli studenti saranno messi in grado di considerare criticamente l'utilizzo di varie configurazioni elettrodiche (materiali, giacitura, fattori tri-dimensionali, aspetti elettro-catalitici) che rappresentano possibili scelte progettuali.

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

Parte 1 (5 CFU): Reattori multifasici Nomenclatura e breve richiamo dei reattori omogenei ideali. Reattori Gas-Liquido e Liquido-Liquido: assorbimento con reazione chimica, regimi di reazione, fattore di avanzamento. Reattori Solido-Fluido catalitici: cinetica di reazioni catalitiche eterogenee; modelli di Langmuir-Hinshelwood e Eley-Rideal; fattore di efficienza, modelli presudo-omogenei monodimensionali e bidimensionali, modelli eterogenei, reattori con solido fluidizzato, disattivazione ed avvelenamento dei catalizzatori, combustori catalitici. Reattori trifasici Solido-Fluido-Fluido: reattori slurry miscelati; reattori a letto fisso (Trickle Bed, Upflow e con solido strutturato). Parte 2 (3 CFU): Reattori elettrochimici Generalità Il reattore elettrochimico (cella). Velocità delle reazioni elettrochimiche. Rendimento in corrente. Conversione, resa e selettività. Bilancio di materia e di energia per un reattore elettrochimico. Consumo specifico di energia. Elementi di cinetica elettrochimica Cenni di cinetica elettrochimica: dissipazioni energetiche, cause di sovratensione. Sovratensione di attivazione e sovratensione di concentrazione. Equazione di Butler-Volmer, equazione di Tafel. Importanza del trasferimento di materia agli elettrodi in relazione alla cinetica elettrochimica. Influenza della concentrazione sulla velocità di reazione. Reazioni elettrochimiche multi-step. Reazioni concomitanti. Fenomeni di adsorbimento agli elettrodi. Reattori e impianti elettrochimici Aspetti tecnici fondamentali e problematiche generali. Descrizione e classificazione dei reattori. Elementi di progetto: cinetica di reazione, tensione minima di elettrolisi, equilibrio agli elettrodi, reazioni secondarie. Reattori a flusso a pistone e a mescolamento. Configurazioni di celle industriali. Alcuni esempi di processi elettrochimici industriali. Generatori elettrochimici di energia Sono presentati e discussi i principali tipi di generatori attraverso il confronto delle proprietà elettriche e delle condizioni operative. Caratteristiche dei generatori elettrochimici: energia specifica, capacità, durata e vita. Caratteristiche elettriche, curve di scarica e curve di polarizzazione. Problematiche relative allo smaltimento e al recupero. Impatto ambientale. Generatori elettrochimici primari: pile Leclanché, pile alcaline, pile al Litio, altri generatori primari. Generatori elettrochimici secondari: proprietà e caratteristiche, vita, cicli, condizioni di ricarica. Batterie al piombo, batterie Ni-Cd e Ni-MeH, sistemi secondari al Litio (Litio ione). Pile a combustibile, generalità e caratteristiche. Fuel cell a membrana polimerica (PEMFC), alcaline AFC), ad acido fosforico (PAFC), a carbonati fusi (MCFC), ad ossidi (SOFC). Problemi di durata delle fuel cell, stabilità dei catalizzatori, degrado degli elettroliti, carichi ciclici. Processi di trattamento dei combustibili. Problematiche del veicolo elettrico.

Le esercitazioni in aula consistono nella risoluzione, da parte degli allievi, di calcoli di progetto dei reattori come applicazione delle metodiche sviluppate a lezione.

Slides delle lezioni saranno fornite in anticipo agli studenti. I seguenti testi sono consigliati per approfondire l'apprendimento: A) per la parte di reattori chimici polifasici Westerterp, Van Swaaij, Beenackers, 1984, Chemical Reactor Design and Operation, John Wiley & Sons. Froment, Bischoff, De Wilde, 2011, Chemical Reactor Analysis and Design, John Wiley & Sons. Levenspiel, 1999, Chemical Reaction Engineering, John Wiley & Sons. Rawlings, Ekerdt, 2002, Chemical Reactor Analysis and Design Fundamentals, Nob Hill Publishing. Salmi, Mikkola, Warna, 2011, Chemical Reaction Engineering and Reactor Technology, CRC Press. Kunii, Levenspiel, 1991, Fluidization Engineering, Butterworth-Heinemann. B) per la parte di reattori elettrochimici Patrizio Gallone, Trattato di Ingegneria Elettrochimica, Tamburini Editore, Milano, 1973. Hartmut Wendt et al., Electrochemistry, in Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2009 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Derek Pletcher and Frank C. Walsh , Industrial electrochemistry (second edition), Chapman and Hall, London, 1990. Klans Jüttner, Technical Scale of Electrochemistry, in Encyclopedia of Electrochemistry, Edited by A.J. Bard and M. Stratmann Vol. 5 Electrochemical Engineering. Edited by Digby D. Macdonald and Patrik Schmuki Copyright 2007, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Velizar Stanković, Electrochemical Engineering - its appearance, evolution and present status. Approaching an anniversary, J. Electrochem. Sci. Eng. 2 (2012) Morris P. Grotheer, Electrochemical Processing, Inorganic Vol. 9, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 2000, John Wiley & Sons, Inc. D.R. Crow, Principles and applications of Electrochemistry, 1994, 4th edition, Taylor & Francis Group, Boca Raton FL USA

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

Exam: Written test; Compulsory oral exam;

... L'esame finale mira a verificare l'acquisizione delle conoscenze e delle capacità obiettivo dell'insegnamento (descritte nel campo Risultati di apprendimento attesi) tramite una prova scritta della durata complessiva pari a tre ore ed una prova orale. La prima parte della prova scritta (durata pari a due ore) prevede la risoluzione di esercizi di calcolo sulla progettazione dei reattori chimici polifasici con la possibilità da parte dello studente di consultare materiale didattico personale (libri, appunti, slides fornite a lezione). La seconda parte della prova scritta (durata pari a un’ora), invece, prevede la risposta a domande specifiche sulla parte di elettrochimica senza l’ausilio di strumenti quali libri, appunti, slides, etc. Dopo il superamento della prova scritta si deve superare una prova orale che riguarda solo la parte teorica (dimostrazioni e concetti) dei reattori polifasici. Il voto finale è ottenuto pesando per 5/8 i voti di scritto ed orale relativa ai reattori chimici polifasici e per 3/8 il voto della parte dell'esame scritto relativa ai reattori elettrochimici.

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.