L'insegnamento ha il compito di fornire conoscenze fondamentali riguardanti il trasporto di materia, energia, quantità di moto e le loro applicazioni di base. Queste conoscenze sono gli strumenti fondamentali per il progetto e la gestione delle apparecchiature utilizzate nei processi di trasformazione chimica della materia. Nel corso sono inoltre presentati i principali tipi di reattori omogenei ideali e sono ricavate le relazioni che ne descrivono il comportamento al variare delle condizioni operative.

L'allievo acquisirà conoscenze fondamentali sui seguenti argomenti: - bilanci integrali e locali di materia, quantità di moto ed energia. - meccanica dei fluidi e trasporto di quantità di moto. - trasporto di calore per conduzione, convezione ed irraggiamento. - trasporto di materia con meccanismo diffusivo ed in regime turbolento. - analogie tra i fenomeni di trasporto, coefficienti di trasferimento. - cinetica dei processi chimici omogenei, enzimatici e microbiologici; - bilanci di materia ed energia in reattori ideali continui e discontinui; - modelli fluidodinamici, funzioni distributive dei tempi di permanenza; - Ottimazione e controllo termico di processi esotermici. Al termine del corso l'allievo dovrà essere in grado di: - descrivere fenomenologicamente ed analiticamente i fenomeni di trasporto di materia, energia e quantità di moto impostando correttamente le equazioni di bilancio integrale e locale delle suddette proprietà; - valutare la cinetica dei processi di trasporto in sistemi ideali; - determinare i parametri fondamentali di progetto di un reattore chimico ed identificare le condizioni operative ottimali.

Fondamenti di calcolo differenziale e integrale.

Bilanci integrali di proprietà: termini delle equazioni di bilancio, bilanci di materia, velocità di reazione, bilancio di quantità di moto in sistemi fluidi, bilanci di energia (bilancio entalpico, bilancio di energia meccanica in un fluido, equazione di Bernoullli generalizzata). Introduzione al trasporto di proprietà: trasporto molecolare in fasi gassose ideali e rarefatte, leggi di Fick, Fourier e Newton, proprietà di trasporto (viscosità, conducibilità termica e diffusività binaria di materia), classi reologiche, fenomenologia della turbolenza. Elementi di meccanica dei fluidi: fluidi in condizioni statiche: legge di Stevin, sollecitazioni sui recipienti, spinta di galleggiamento; fluidodinamica e trasporto di quantità di moto: sforzi di taglio, moto laminare in condotti, fattore d'attrito, dissipazioni di energia locali e distribuite; fluidi e solidi in moto relativo: coefficiente di forma, velocità di caduta libera, moto di fluidi e fattori d'attrito in letti granulari, fluidizzazione di letti particellari. Trasporto di calore: conduzione monodirezionale in fasi solide omogenee e composite in assenza ed in persenza di generazione termica; trasporto termico convettivo: convezione forzata e naturale, coefficienti di scambio termico, resistenze in serie e coefficiente globale, analogia con il trasporto di quantità di moto, irraggiamento: assorbimento ed emissione di energia radiante, emissività, legge di Kirchoff, corpi neri, legge di Lambert, spettro di emissione, relazioni di Planck e di Wien, irraggiamento tra corpi neri e grigi, fattori di vista. Trasporto di materia: flussi di massa e molari, flusso diffusivo in sistemi binari, contro-diffusione equimolare, diffusione in mezzo stagnante, trasporto interfase e convettivo: coeffficienti di scambio di materia, modelli del film e della penetrazione, forza motrice e coefficiente globale e resistenza controllante, coefficiente volumico. Bilanci locali di proprietà e trasporto in un continuo fluido: modalità di osservazione del sistema, termini dei bilanci locali, equazione di continuità, bilancio locale di quantità di moto e campo di velocità, tensore degli sforzi, equazioni del moto in regime laminare ed in forma adimensionata, bilancio locale di energia, bilanci di energia cinetica e termini dissipativi, seconda legge di Fourier, bilancio locale di materia in sistemi multi-componente. Grandezze fondamentali ed equazioni cinetiche: velocità di reazione, conversione, selettività e resa; cinetica dei processi chimici omogenei, ordine di reazione, relazione di Arrhenius, energia di attivazione. Reattori chimici ideali: reattore discontinuo perfettamente miscelato, relazioni conversione-tempo in condizioni isoterme, produttività ottimale, incremento adiabatico di temperatura, profili temporali di conversione e temperatura; reattore continuo tubolare con flusso a pistone: bilanci locali di materia, conversione in sistemi isotermi, bilanci locali di energia, profili assiali di conversione e temperatura in reattori adiabatici e non adiabatici; reattore continuo perfettamente miscelato: conversione in condizioni stazionarie, stabilità e molteplicità di stati stazionari. Sistemi ibridi: reattore tubolare con riciclo, cascata di reattori perfettamente miscelati. Reattori continui con fluidodinamica non ideale: modelli per reattori tubolari: dispersione assiale di materia, modello bidimensionale; modelli per reattori miscelati: zone stagnanti, by-pass, modelli a due parametri; distribuzione dei tempi di permanenza: funzioni distributive, traccianti, stima dei parametri fluidodinamici, micro e macrofluidi, segregazione e sequenza di miscelazione; Selettività e resa in reattori chimici con reazioni multiple: reazioni parallele e consecutive in reattori continui e discontinui, condizioni operative ottimali. Ottimazione di temperatura per processi reversibili esotermici: temperatura ottimale e temperatura di equilibrio, reattore tubolare con stadi adiabatici inter-refrigerati. Run-away in reattori chimici: fenomenologia del run-away, MTSR e TMR, reazioni secondarie, valutazione della criticità. Reattori per processi enzimatici: equazione cinetica di Michaelis-Menten, stima delle costanti cinetiche, influenza delle variabili operative (temperatura e pH), processi enzimatici in reattori continui e discontinui, fenomeni di inibizione competitiva e non competitiva. Reattori per processi microbiologici: equazione cinetica di Monod, stechiometria e bilanci di materia, crescita di biomasse in reattori discontinui e continui, stima delle costanti cinetiche, diagrammi operativi, washout della biomassa in reattori miscelati continui, inibizione da prodotto.

Le esercitazioni in aula consisteranno nella risoluzione di problemi di fenomeni di trasporto e reattoristica chimica. Sono previste tre esercitazioni in laboratorio la cui frequenza è obbligatoria: 1) studio della diffusione di materia in un fluido stagnante e misura della dissipazioni di energia meccanica in fluidi in moto. 2) Studio cinetico della idrolisi alcalina di un estere organico e realizzazione del processo in reattori continui. 3) studio della distribuzione dei tempi di permanenza in reattori continui mediante prove sperimentali con sostanza tracciante. Ogni squadra dovrà preparare una relazione sulle sperimentazioni eseguite.

Le dispense del corso sono disponibili sul portale dell'insegnamento. Testi di referimento - Transport Phenomena di R.B. Bird et al. - New York: Wiley, 2002 - Chemical Reaction Engineering di O. Levenspiel - J. Wiley & Sons, 1999.

Modalità di esame: Prova scritta (in aula);

Exam: Written test;

... Modulo di Fenomeni di Trasporto L’esame consiste in due prove scritte. La prima prova ha una durata di 45 minuti e comprende un ampio insieme di quesiti teorici su tutto il programma del corso; per alcuni quesiti sono proposte risposte predeterminate da opzionare, per altri si richiedono brevi dimostrazioni o la rappresentazione di dati/principi in forma grafica. La seconda prova ha una durata di un'ora e 45 minuti e prevede la risoluzione di esercizi di calcolo relativi a bilanci integrali e fenomeni di trasporto. Durante entrambe le prove scritte, gli allievi possono consultare esclusivamente il materiale fornito dal docente e non possono usufruire di altre fonti di informazione quali libri, manuali o appunti. Il voto finale è dato dalla media aritmetica delle votazioni attribuite alle due prove. Modulo di Reattori Chimici L’esame consiste in due prove scritte. La prima prova ha una durata di 45 minuti e comprende un ampio insieme di quesiti teorici su tutto il programma del corso; per alcuni quesiti sono proposte risposte predeterminate da opzionare, per altri si richiedono brevi dimostrazioni o la rappresentazione di dati/principi in forma grafica. La seconda prova ha una durata di un'ora e 45 minuti e prevede la risoluzione di esercizi di bilancio stechiometrico in sistemi aperti e chiusi, dimensionamento ed ottimazione di reattori chimici. Durante entrambe le prove scritte, gli allievi possono consultare esclusivamente il materiale fornito dal docente e non possono usufruire di altre fonti di informazione quali libri, manuali o appunti. Il voto finale è dato dalla media aritmetica delle votazioni attribuite alle due prove.

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.