Mariano Calatozzolo

Silvestro Natoli

Le nuove indicazioni ministeriali dell’indirizzo “Chimica,&nbsp;Materiali e Biotecnologie”&nbsp;articolazione&nbsp;“Chimica e Materiali” mostrano una tendenza alla compressione dei contenuti ispirandosi ad una logica di “razionalizzazione” delle risorse umane ed economiche anziché alle esigenze della società ed agli obiettivi del processo formativo. In particolare, sono state sacrificate 4 ore settimanali di materie di indirizzo, rendendo necessaria la soppressione di “Chimica-Fisica” per evitare un’eccessiva frammentazione delle discipline chimiche in relazione alle ore a disposizione. La nuova edizione del manuale accoglie queste indicazioni, assicurando una stretta connessione con la scansione dei programmi ministeriali ma, allo stesso tempo, gli argomenti centrali della disciplina sono sviluppati in maniera da consentire al docente di scegliere le conoscenze da trasmettere, tra tutte quelle indicate nelle indicazioni ministeriali, in base agli obiettivi formativi fissati e di sviluppare gli opportuni approfondimenti. Le principali novità riguardano i contenuti di “Chimica-Fisica” direttamente correlate alla disciplina di Tecnologie Chimiche che sono state incluse nel piano dell’opera. In particolare: <ul><li>lo studio degli equilibri tra fasi diverse che sono collegati alla trattazione di tutte le operazioni unitarie basate sul raggiungimento di condizioni di equilibrio tra fasi diverse;</li><li>lo studio della termodinamica e della cinetica chimica, ovvero i cardini teorici che consentono la corretta rappresentazione dei bilanci di materia e di energia e la definizione delle migliori condizioni operative di una reazione, sia per quanto riguarda le rese che le velocità di reazione.</li></ul>

1. Operare con le grandezze fisiche: il Sistema Internazionale

1.1 Il sistema internazionale

1.2 Il calcolo dimensionale e il principio di omogeneità

1.3 La conversione tra unità di misura

Glossario

Esercizi

2. Materiali per le tecnologie chimiche

2.1 Le caratteristiche meccaniche dei materiali

2.2 Gli acciai e le ghise

2.3 Materiali metallici non ferrosi

2.4 Materiali polimerici

2.5 Altri materiali

2.6 Uno sguardo al futuro: i nanomateriali

2.7 I processi corrosivi e la degradazione dei materiali

2.8 Prevenzione della corrosione

3. Le basi chimico-fisiche delle operazioni unitarie: diagrammi di stato e materiali

3.1 Gli equilibri di fase e i diagrammi di stato

3.2 Diagrammi di stato per soluzioni solide parzialmente miscibili

3.3 Il diagramma di stato ferro-carbonio

4. Stoccaggio e movimentazione dei solidi

4.1 Proprietà caratteristiche dei solidi

4.2 Stoccaggio dei solidi

4.3 Movimentazione dei solidi

5. Statica e dinamica dei liquidi

5.1 Statica dei liquidi

5.2 I liquidi in movimento

5.3 Dinamica dei liquidi ideali

5.4 I liquidi reali e le dissipazioni

5.5 Misura delle portate

6. Il trasporto dei liquidi

6.1 La prevalenza

6.2 Classificazione e campi d’impiego delle pompe

6.3 Pompe centrifughe

6.4 Pompe volumetriche

6.5 Pompe per applicazioni particolari

7. Stoccaggio e linee di trasporto dei fluidi

7.1 Stoccaggio dei fluidi

7.2 Tubazioni, elementi di linea, valvole

7.3 La direttiva "ped"

8. Separazione solido-liquido

8.1 La separazione solido-liquido

8.2 Il moto relativo dei solidi in un liquido

8.3 Impiego di flocculanti e polielettroliti

8.4 I sedimentatori

8.5 La filtrazione

8.6 La centrifugazione

9. Trattamenti delle acque grezze

9.1 Fonti di approvvigionamento delle acque grezze

9.2 Caratteristiche delle acque grezze

9.3 Requisiti per l’impiego delle acque

9.4 trattamenti delle acque

9.5 Adsorbimento su carboni attivi

9.6 Osmosi inversa

9.7 L'eliminazione dei gas disciolti

9.8 Cicli di trattamento completi

esercizi

10. Le basi chimico-fisiche delle operazioni unitarie: la teoria cinetica dei gas

10.1 Le leggi empiriche dei gas ideali

10.2 Il comportamento dei gas ideali secondo la teoria cinetico-particellare

10.3 Il comportamento dei gas reali

10.4 I diagrammi di andrews

11. Separazioni gas-solido e gas-liquido

11.1 Principi operativi e ambiti applicativi

11.2 Depolveratori inerziali

11.3 Separatori a umido

11.4 Depolveratori elettrostatici

11.5 Depolveratori a tessuto

12. Misura e controllo nei processi chimici

12.1 Generalità sul controllo automatico

12.2 Definizioni principali

12.3 L'anello di regolazione in retroazione

12.4 I controllori ed il controllo on-off

12.5 Rappresentazione degli anelli di regolazione

12.6 Gli elementi di misura

Appendici

Dizionario tecnico

Indice analitico

Bibliografia

Riferimenti

428 12   Misura e controllo nei processi chimici Il principale vantaggio della regolazione in retroazione è la sua semplicità di funzionamento che le permette di contrastare tutti i disturbi presenti senza che debba avere altre informazioni oltre alla deviazione dal set point che i disturbi provocano alla controllata. Lo svantaggio è che agisce solo dopo che si è verificato l errore, ed è inevitabile che l errore si propaghi, in un certa misura, lungo il processo. Come si vedrà nei corsi dei prossimi anni, esistono altre tecniche di controllo, ma la regolazione in retroazione resta la prima scelta per molti casi. esempio 12.1 In Fig. 12.6 è rappresentato lo schema di un processo di scambio termico in cui un fluido di processo è raffreddato con acqua di raffreddamento. Identificare nello schema di processo i componenti dell anello di regolazione descritto in Fig. 12.4. Fig. 12.6 Controllo automatico nello scambio termico. Un fluido di processo è raffreddato con acqua nello scambiatore E1. La portata dell acqua di raffreddamento controlla la temperatura del fluido di processo in uscita dallo scambiatore. TC 1 E1 AR AR Nella seguente tabella sono riportati, nella colonna di sinistra, gli elementi dell anello di regolazione e, in quella di destra, i componenti corrispondenti nello schema di processo. Schema anello di regolazione Schema controllo Scambio termico 1) Processo Controllo di temperatura dello scambiatore E1 2) Variabile misurata e controllata (x) Temperatura del fluido di processo in uscita da E1 3) Sensore (elemento di misura primario) Sonda termometrica (§ 12.6.4 ) 4) Set point (w) Temperatura di riferimento impostata 5) Errore (e = w   x) Differenza tra la temperatura di riferimento e quella misurata 6) Regolatore TC-1. Negli schemi di processo la strumentazione è riportata in forma semplificata in un cerchio collegato al processo e comprende, oltre al regolatore, i dispositivi di elaborazione e trasmissione dei segnali 7) Attuatore ed elemento finale di controllo Valvola di regolazione con attuatore pneumatico: in questo processo, se la controllata supera il set point, si deve aprire per contrastare l errore. Per le caratteristiche di valvole e attuatori v. Cap. 7 8) Variabile manipolata (y) La portata dell acqua di raffreddamento 9) Possibili disturbi (z) Fluttuazioni di:   portata e temperatura del fluido da raffreddare;   pressione e temperatura dell acqua di raffreddamento;   scambio termico con l ambiente in base alle condizioni climatiche. 12a CAPITOLO_421-496.indd 428 27/04/12 12.05 

429 12.4   I controllori ed il controllo ON-OFF 12.4 i controllori eD il controllo on-oFF Nello schema dell anello di regolazione in retroazione di Fig. 12.5 possiamo notare che nel controllore sono presenti due blocchi: il nodo comparatore che calcola l errore è il regolatore vero e proprio che trasforma l errore nel segnale di retroazione per l attuatore, secondo una specifica funzione matematica. In base alla forma di questa funzione matematica possiamo avere i seguenti modi di controllo: n controllo ON-OFF; n controllo proporzionale; n controllo proporzionale-integrale; n controllo proporzionale-integrale-derivativo. In questo volume approfondiremo il tipo più semplice, ovvero il controllo ON-OFF (acceso-spento).   un sistema di controllo molto semplice e molto diffuso. Per esempio, i termostati, quasi sempre dei controllori ON-OFF, si trovano facilmente nelle nostre case per regolare la temperatura dello scaldabagno, del riscaldamento, ecc. In uno scaldabagno elettrico si imposta la temperatura di set point e un sensore rileva la temperatura dell acqua all interno dello scaldabagno: se la temperatura è inferiore al valore di set point il controllore commuta su ON un interruttore e dà corrente alla resistenza elettrica che riscalda l acqua; quando si raggiunge il set point il controllore spegne la resistenza. Generalizzando, un controllo ON-OFF prevede solo due posizioni di controllo, o meglio solo due possibili valori per la variabile manipolata: acceso o spento come per la resistenza elettrica dello scaldabagno; valvola tutta aperta o tutta chiusa nei casi in cui la variabile manipolata è regolata con una valvola. Ipotizziamo che l andamento della variabile controllata (x), sotto l azione dei possibili disturbi e della retroazione, sia quello rappresentato in Fig. 12.7, dove, con la stessa scala dei tempi, è rappresentato anche l andamento della variabile manipolata (y). x w Tempo y ON Fig. 12.7  Zona morta  nei controli ON-OFF 12a CAPITOLO_421-496.indd 429 Andamento della variabile misurata e manipolata nel controllo ON-OFF. OFF Tempo Un controllore che attacca appena la controllata scende sotto il set point e che stacca appena lo supera (o viceversa) sarebbe soggetto a frequenti interventi, con 27/04/12 12.05 

“Chimica, Materiali e Biotecnologie” con le nuove indicazioni ministeriali dell’indirizzo ispirandosi ad una logica di “razionalizzazione”

Volume 1

Tecnologie chimiche industriali, Vol. 1

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