Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

L’insegnamento integrato fornisce le conoscenze e gli strumenti metodologici necessari per analizzare quantitativamente i fenomeni di trasporto e il funzionamento dei reattori chimici. Il modulo di Fenomeni di trasporto introduce i meccanismi di trasferimento della quantità di moto, dell’energia e della materia e i metodi per determinarne quantitativamente le velocità di trasferimento. Tali conoscenze costituiscono una base essenziale per lo studio dei processi e delle apparecchiature dell’industria chimica, nonché per l’analisi e la progettazione dei reattori affrontate nell’altro modulo dell’insegnamento. Il modulo contribuisce alla formazione dell’ingegnere chimico fornendo gli strumenti necessari per formulare e risolvere bilanci di materia, energia e quantità di moto, analizzare il comportamento dei sistemi di trasporto e svolgere semplici calcoli di analisi e dimensionamento di apparecchiature e processi di interesse industriale.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Scopo dell’insegnamento è fornire agli allievi gli strumenti fondamentali per il progetto delle apparecchiature utilizzate nei processi di trasformazione chimica della materia. Nelle lezioni dell’insegnamento sono presentati i principali tipi di reattori omogenei ideali e sono ricavate le relazioni che ne descrivono il comportamento al variare delle condizioni operative.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Al termine dell’insegnamento, lo studente conoscerà: i. i meccanismi molecolari e convettivi di trasporto della quantità di moto, dell’energia e della materia; ii. le equazioni costitutive che descrivono il trasporto molecolare della quantità di moto, dell’energia e della materia; iii. i bilanci integrali e locali di materia, quantità di moto ed energia; iv. i principi fondamentali della meccanica dei fluidi e le caratteristiche dei fluidi newtoniani e non newtoniani; v. i meccanismi di trasporto del calore per conduzione, convezione e irraggiamento; vi. i meccanismi di trasporto della materia per diffusione e convezione; vii. la definizione e il significato fisico dei coefficienti di attrito e dei coefficienti di scambio di calore e di materia; viii. le principali analogie tra i fenomeni di trasporto della quantità di moto, dell’energia e della materia. Al termine dell’insegnamento, lo studente sarà inoltre in grado di: i. formulare bilanci integrali e locali di materia, quantità di moto ed energia; ii. selezionare le equazioni costitutive appropriate e individuare le ipotesi semplificative applicabili al sistema considerato; iii. impostare e risolvere le equazioni di trasporto in regime stazionario per sistemi caratterizzati da geometrie semplici; iv. calcolare le velocità di trasferimento della quantità di moto, del calore e della materia; v. determinare i coefficienti di attrito e i coefficienti di scambio di calore e di materia; vi. applicare le analogie tra i diversi fenomeni di trasporto; vii. svolgere semplici calcoli di analisi e dimensionamento di sistemi e apparecchiature di interesse per l’ingegneria chimica; viii. interpretare criticamente i risultati ottenuti, verificandone la coerenza fisica e dimensionale; ix. presentare in modo chiaro e rigoroso l’impostazione e la soluzione di un problema di trasporto. Le conoscenze e le capacità acquisite nel modulo costituiscono inoltre la base per l’analisi dei fenomeni di trasporto accoppiati alla reazione chimica, sviluppata nel modulo di Reattori e cinetiche chimiche.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Conoscenze da acquisire: - 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. Capacità da conseguire: scegliere il tipo di reattore ed identificare le condizioni operative ottimali in relazione alle caratteristiche del processo chimico;

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Per seguire proficuamente l’insegnamento, lo studente deve possedere: i. conoscenze di base di fisica, con particolare riferimento alla meccanica, alla termodinamica e ai principi di conservazione; ii. conoscenze di analisi matematica, con particolare riferimento al calcolo differenziale e integrale, alle equazioni differenziali ordinarie e alle derivate parziali; iii. dimestichezza con l’uso delle unità di misura e con l’analisi dimensionale.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Fondamenti di calcolo differenziale e integrale. Bilanci di materia e di energia.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Parte I. Introduzione ai fenomeni di trasporto e bilanci di proprietà 1.1 Meccanismi molecolari e convettivi di trasporto 1.2 Analogie tra il trasporto della quantità di moto, dell’energia e della materia 1.3 Formulazione dei bilanci integrali di proprietà 1.4 Formulazione dei bilanci locali di proprietà 1.5 Regimi stazionari e transitori 1.6 Principali ipotesi semplificative utilizzate nella formulazione e nella soluzione dei problemi di trasporto Parte II. Trasporto della quantità di moto 2.1 Trasporto molecolare della quantità di moto e legge di Newton 2.2 Viscosità di gas, liquidi, liquidi polimerici, sospensioni ed emulsioni 2.3 Classificazione reologica dei fluidi 2.4 Trasporto convettivo della quantità di moto 2.5 Fenomenologia della turbolenza 2.6 Interazione tra fluido e parete e definizione del coefficiente di attrito 2.7 Formulazione generale delle equazioni di trasporto della quantità di moto 2.8 Soluzione di problemi di trasporto della quantità di moto in geometrie semplici Parte III. Trasporto dell’energia 3.1 Trasporto di energia per conduzione e legge di Fourier 3.2 Conducibilità termica di gas, liquidi e solidi 3.3 Trasporto di calore per convezione forzata e naturale 3.4 Coefficienti di scambio termico all’interfaccia, interazione tra fluido e parete solida e legge di raffreddamento di Newton 3.5 Trasporto di calore per irraggiamento 3.5.1 Legge di Kirchhoff 3.5.2 Legge di Stefan-Boltzmann 3.5.3 Interazione tra radiazione e superfici 3.5.4 Scambio di energia tra corpi neri e grigi 3.5.5 Fattori di vista 3.6 Soluzione di problemi di trasporto del calore in geometrie semplici 3.7 Formulazione generale dell’equazione di trasporto dell’energia 3.8 Bilancio dell’energia meccanica in un fluido ed equazione di Bernoulli generalizzata 3.9 Calcoli di progetto per il dimensionamento di una linea di trasferimento Parte IV. Trasporto della materia 4.1 Trasporto molecolare e convettivo della materia in miscele multicomponente 4.2 Diffusione ordinaria e legge di Fick 4.3 Meccanismi di diffusione non ordinaria 4.4 Formulazione generale delle equazioni di trasporto della materia in una miscela multicomponente 4.5 Modelli semplificati per il trasferimento interfacciale di materia 4.6 Soluzione di problemi di trasporto della materia in geometrie semplici 4.7 Diffusione in mezzi eterogenei e porosi Parte V. Applicazione e verifica delle conoscenze 5.1 Risoluzione guidata in aula di esercizi relativi ai fenomeni di trasporto della quantità di moto, dell’energia e della materia 5.2 Esercizi assegnati per lo svolgimento autonomo, corredati successivamente dalla relativa soluzione 5.3 Attività valutative riguardanti problemi applicativi e calcoli di progetto relativi agli argomenti trattati nell’insegnamento

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

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.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

L’insegnamento comprende: i. lezioni dedicate alla presentazione dei fondamenti teorici, delle equazioni costitutive, dei modelli matematici e delle principali applicazioni dei fenomeni di trasporto; ii. esercitazioni di calcolo svolte in aula, durante le quali i metodi presentati nelle lezioni sono applicati alla soluzione di problemi relativi al trasporto della quantità di moto, dell’energia e della materia; iii. esercizi assegnati per lo svolgimento autonomo a casa e successivamente accompagnati dalla relativa soluzione, finalizzati alla preparazione della prova scritta; iv. attività valutative da svolgere a casa individualmente oppure, al massimo, in gruppi di due studenti. Nel corso dell’insegnamento saranno assegnate da due a quattro attività valutative, costituite da problemi di calcolo relativi agli argomenti affrontati durante le lezioni e le esercitazioni. Ciascuna attività sarà valutata da 2 a 4 punti, in funzione della sua estensione e complessità. Il punteggio complessivamente conseguibile mediante tali attività è pari a un massimo di 8 punti. Le attività valutative sono finalizzate a verificare la capacità di impostare e risolvere problemi di trasporto, selezionare i modelli appropriati, applicare correttamente le ipotesi semplificative, eseguire i calcoli e interpretare criticamente i risultati ottenuti. Il punteggio conseguito nelle attività svolte durante l’insegnamento viene aggiunto al risultato della prova scritta soltanto se quest’ultima è stata superata con un punteggio pari o superiore a 14/24. La mancata consegna di una o più attività entro le scadenze indicate comporta l’attribuzione di 0 punti per ciascuna attività non consegnata.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

In aula saranno svolti esercizi di calcolo analoghi a quelli dei temi d'esame (dimensionamento di reattori ideali omogenei e definizione delle condizioni operative in relazione alle specifiche di processo). E' prevista una esercitazione in laboratorio la cui frequenza è facoltativa ed avente come oggetto lo studio cinetico della idrolisi alcalina di un estere organico e realizzazione del processo in reattori continui.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

R.B. Bird, W.E. Stewart and E.N. Lightfoot, Transport Phenomena, 2nd edition, Wiley, 2002.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Le dispense delle lezioni ed una raccolta di esercizi saranno disponibili sul portale dell'insegnamento. I seguenti riferimenti bibliografici sono consigliati come testi di riferimento in materia di reattoristica: K. .R. Westerterp et al., Chemical reactors design and operation, Wiley O. Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, Wiley H. S Fogler, Elements of Chemical Reaction Engineering, Prentice Hall

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa;

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Modalita di esame: Prova scritta (in aula);

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

Exam: Written test; Optional oral exam;

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

Exam: Written test;

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Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Fenomeni di trasporto)

La valutazione del modulo si basa su: i. una prova scritta obbligatoria, valutata da 0 a 24 punti; ii. da due a quattro attività valutative svolte durante l’insegnamento, valutate complessivamente da 0 a 8 punti; iii. una prova orale integrativa o facoltativa, prevista nei casi specificati di seguito. La prova scritta ha una durata di 75 minuti ed è costituita da un quesito teorico, valutato fino a un massimo di 10 punti, e da uno o due esercizi di calcolo, valutati complessivamente fino a un massimo di 14 punti. Il quesito teorico può essere articolato in più domande, formulate come quesiti a risposta aperta, dimostrazioni oppure quesiti a risposta multipla. Esso è finalizzato a verificare la conoscenza e la comprensione dei meccanismi di trasporto, delle equazioni costitutive, dei bilanci di proprietà, dei coefficienti di trasferimento e delle analogie tra il trasporto della quantità di moto, dell’energia e della materia. Gli esercizi di calcolo sono analoghi, per impostazione e livello di difficoltà, a quelli svolti durante le esercitazioni in aula o assegnati per lo svolgimento autonomo e successivamente corredati dalla relativa soluzione. Essi verificano la capacità di: i. formulare correttamente i bilanci di materia, quantità di moto ed energia; ii. selezionare i modelli e le relazioni costitutive appropriati; iii. individuare e applicare correttamente le ipotesi semplificative; iv. impostare e svolgere correttamente il procedimento di calcolo; v. utilizzare correttamente le unità di misura; vi. verificare la coerenza fisica e dimensionale dei risultati; vii. interpretare criticamente i risultati ottenuti. Durante la prova scritta lo studente può consultare esclusivamente il materiale fornito dal docente. Non è consentito consultare libri, manuali, appunti o altre fonti di informazione. La prova scritta è considerata superata con un punteggio pari o superiore a 14/24. Il punteggio conseguito nelle attività valutative svolte durante l’insegnamento viene aggiunto al punteggio della prova scritta soltanto se quest’ultima è stata superata. Le attività valutative consistono in un numero compreso tra due e quattro esercizi o problemi di calcolo, da svolgere a casa individualmente oppure, al massimo, in gruppi di quattro studenti. Ciascuna attività è valutata da 2 a 4 punti, in funzione della sua estensione e complessità, per un punteggio complessivo massimo di 8 punti. In caso di mancata consegna delle assegnazioni, allo studente sono attribuiti 0 punti per questa componente della valutazione. Qualora venga omessa soltanto una parte delle consegne, sono attribuiti 0 punti a ciascuna attività non consegnata. La mancata consegna non preclude l’accesso alla prova scritta. Nella valutazione delle attività svolte durante l’insegnamento si considerano: i. la correttezza dell’impostazione e del risultato; ii. la coerenza del procedimento seguito; iii. l’appropriatezza delle ipotesi e dei modelli adottati; iv. la capacità di analizzare e interpretare criticamente i risultati; v. la chiarezza e il rigore della presentazione. Il punteggio preliminare del modulo è determinato sommando il punteggio della prova scritta e quello delle attività valutative, fino a un massimo di 32 punti. Qualora la prova scritta sia stata superata con almeno 14/24, ma il punteggio preliminare sia inferiore a 18/30, lo studente deve sostenere una prova orale integrativa per conseguire la sufficienza. La prova orale integrativa verifica la comprensione dei concetti fondamentali e la capacità di correggere o approfondire gli aspetti risultati insufficienti nella prova scritta. Il superamento della prova orale integrativa consente di conseguire una valutazione finale pari a 18/30. In caso di esito negativo, il modulo non è superato. Qualora il punteggio preliminare, ottenuto sommando il risultato della prova scritta e quello delle attività valutative, sia superiore a 24 punti, lo studente può scegliere di sostenere una prova orale facoltativa. La volontà di sostenere tale prova deve essere comunicata entro 24 ore dalla pubblicazione dei risultati, secondo le modalità indicate dal docente. In assenza di comunicazione entro il termine previsto, il punteggio preliminare viene confermato. La prova orale facoltativa è finalizzata a verificare la comprensione dei concetti teorici discussi durante l’insegnamento, la capacità di collegare i diversi argomenti e la capacità di applicare criticamente le conoscenze acquisite. L’esito della prova orale può modificare il punteggio preliminare di un valore compreso tra −6 e +6 punti. La prova orale può pertanto determinare sia un aumento sia una riduzione della valutazione. Il punteggio risultante dopo la prova orale costituisce la valutazione finale del modulo ed è ricondotto alla scala in trentesimi secondo i criteri indicati di seguito. Un punteggio complessivo pari o superiore a 18 e inferiore a 30 determina il corrispondente voto espresso in trentesimi. Un punteggio complessivo pari o superiore a 30 e inferiore a 31,5 determina una valutazione di 30/30. Un punteggio complessivo pari o superiore a 31,5 consente l’accesso alla valutazione di 30 e lode. La lode viene attribuita all’insegnamento integrato soltanto se lo studente consegue i requisiti previsti per l’attribuzione della lode anche nel modulo di Reattori e cinetiche chimiche.

Fenomeni di trasporto e reattori chimici (Reattori e cinetiche chimiche)

L’esame dell’insegnamento di Reattori e Cinetiche Chimiche consiste in una prova scritta, nella quale sono presenti una domanda aperta riguardante gli argomenti trattati a lezione, e due esercizi di calcolo relativi agli argomenti dell’insegnamento. Durante la prova scritta gli allievi possono consultare esclusivamente il materiale fornito dal docente e non possono usufruire di altre fonti di informazione quali libri, manuali o appunti. La prova scritta ha durata di 1 ora e trenta minuti, e valutazione massima di 30/30. La lode puo' essere ottenuta con la consegna e valutazione positiva della relazione (facoltativa) dell'esperienza di laboratorio. Questa esperienza e' facoltativa, della durata di tre ore, e svolta durante il semestre secondo un calendario concordato tra docenti e studenti. Il voto finale dell’insegnamento di Fenomeni di Trasporto e Reattori Chimici è dato dalla media aritmetica delle votazioni attribuite alla prova di Reattori e Cinetiche Chimiche e alla prova di Fenomeni di Trasporto.

Gli studenti e le studentesse con disabilita 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'Unita Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione piu idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.