Silvestro Natoli

Mariano Calatozzolo

Le nuove indicazioni ministeriali dell’indirizzo “Chimica, Materiali e Biotecnologie” articolazione “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. I fondamenti chimico-fisici delle operazioni unitarie: il primo principio della termodinamica

1.1 Definizioni e concetti fondamentali

1.2 Temperatura e calore: il principio zero

1.3 L'energia interna e il primo principio

1.4 Il calore specifico

1.5 Entalpia

1.6 Applicazioni del primo principio

Glossario

Esercizi

2. Bilanci di materia ed energia

2.1 Le equazioni di bilancio ed i principi di conservazione

2.2 I bilanci di materia

2.3 Bilanci di energia nei sistemi aperti in cui non si realizzano reazioni chimiche

3. Il trasferimento di calore

3.1 Equazioni di trasferimento

3.2 La conduzione

3.3 La convezione

3.4 Trasmissione di calore per irraggiamento

3.5 Applicazione delle equazioni di bilancio e di trasferimento

3.6 Isolamento termico

4. Le apparecchiature per lo scambio termico

4.1 Gli scambiatori di calore

4.2 Gli scambiatori a doppio tubo

4.3 Gli scambiatori a fascio tubiero

4.4 Altri tipi di scambiatori

4.5 I condensatori e ribollitori

4.6 Il vapore e il trasferimento di energia termica

4.7 Il controllo della temperatura negli scambiatori

5. I fondamenti chimico-fisici dei processi: il secondo ed il terzo principio

5.1 Le macchine termiche

5.2 Secondo principio. gli enunciati di kelvin-planck e clausius

5.3 Il ciclo di carnot

5.4 L'entropia

5.5 Frigoriferi e pompe di calore

5.6 Bilancio entropico

5.7 L'energia “libera” – lavoro ed equilibrio

6. Il trasporto dei gas

6.1 Il lavoro di compressione

6.2 Le apparecchiature per il trasporto dei gas

7. I fondamenti chimico-fisici delle operazioni unitarie: i diagrammi di fase

7.1 I diagrammi di fase di sostanze pure: l'acqua

7.2 Evaporazione ed ebollizione di sostanze pure

7.3 L'equilibrio liquido-vapore nelle soluzioni

8. Concentrazione e cristallizzazione

8.1 Aspetti generali della concentrazione

8.2 Impianti di evaporazione a singolo effetto

8.3 Il comportamento reale delle soluzioni

8.4 Influenza delle variabili di processo

8.5 Gli impianti a multiplo effetto

8.6 Bilanci e dimensionamento degli evaporatori a multiplo effetto

8.7 Evaporazione per ricompressione meccanica del vapore

8.8 Caratteristiche costruttive degli evaporatori

8.9 Le apparecchiature ausiliarie

8.10 Gli schemi di controllo negli impianti di evaporazione

8.11 La cristallizzazione

9. Essiccamento

9.1 Generalità e ambiti applicativi

9.2 I processi in fase gassosa: la psicrometria

9.3 Parametri termometrici dell'aria umida

9.4 Il diagramma psicrometrico

9.5 Le trasformazioni dell'aria umida

9.6 Le caratteristiche interne dei solidi umidi

9.7 Bilanci di materia ed energia nell'essiccamento

9.8 Classificazione e caratteristiche degli essiccatori

9.9 La liofilizzazione

9.10 Il controllo negli impianti di essiccamento

9.11 Le torri di raffreddamento

10. I fondamenti chimico-fisici dei processi: la termodinamica chimica

10.1 Il primo principio e la termochimica

10.2 Spontaneità ed equilibrio chimico

11. I fondamenti chimico-fisici dei processi: cinetica chimica, catalisi, reattori

11.1 La velocità di reazione

11.2 Velocità di reazione e concentrazione

11.3 Velocità di reazione e temperatura

11.4 La velocità di reazione al variare di concentrazione e temperatura

11.5 Catalisi e catalizzatori

11.6 I reattori chimici

12. Processi industriali

12.1 Idrogeno e gas di sintesi

12.2 La sintesi dell'ammoniaca

184 esercizi Capitolo 4 esercizio 1 300 kg/h di tetracloruro di carbonio vengono raffreddati in un refrigerante da 60 °C a 30 °C con acqua di raffreddamento che entra a 20 °C ed esce a 25 °C. Determinare la portata di acqua di raffreddamento e il  Tml in equicorrente ed in controcorrente. Bilancio di energia I due liquidi non subiscono passaggi di stato. Applicando l equazione di bilancio nella forma (4.20), si ottiene: ( ) ( FTCl   CPTCl   TCin   TCus = FA   CPA   TFus   TFin ) Dove i pedici TCl e A si riferiscono rispettivamente al Tetracloruro di Carbonio e all acqua. I valori dei calori specifici vanno letti in Appendice 4 alle rispettive temperature medie aritmetiche: CPTCl = 0,95 kJ/(kg   °C) Tetracoluro di Carbonio: Tm = 45 °C; Acqua: Tm = 22,5 °C; CPA = 4,18 kJ/(kg   °C) Ricavando la portata di acqua dall equazione di bilancio, si ottiene: FA = FTCl   ( )= C   (T   T ) CPTCl   TCin   TCus PA FA = 300 kg/h   Fus Fin 0,95 kJ/(kg   °C)   ( 60   30 ) °C 4,18 kJ/(kg   °C)   (25   20 ) °C Per il calore trasferito si otterrà: Q  tr = FTCl   CPTCl   TCin   TCus ( = 409 kg/h ) Q  tr = 300 kg/h   0,95 kJ/(kg   °C)   ( 60   30 ) °C = 8550 kJ/h = 2,375 kW Differenza di temperatura media logaritmica Equicorrente Differenze temperature estreme  Ti = 60 °C   20 °C = 40 °C;  Tf = 30 °C   25 °C = 5 °C Differenza temperatura media logaritmica Controcorrente Differenze temperature estreme Differenza temperatura media logaritmica  Tml = 40 °C   5 °C = 16,8 °C 40 ln 5  Ti = 60 °C   25 °C = 35 °C;  Tf = 30 °C   20 °C = 10 °C  Tml = 35 °C   10 °C = 20,0 °C 35 ln 10 

185 Esercizi esercizio 2 (Estratto dall esame di stato 2010) Un condensatore posto in testa ad una colonna di distillazione deve condensare una portata FV = 1200 kg/h ad una temperatura Tc = 84°C. Il calore latente di condensazione di tale vapore è  ev = 1800 kJ/kg. Il condensatore nel quale si effettua tale operazione è alimentato con acqua industriale di raffreddamento con temperatura di ingresso Ti = 21°C ed uscente a Tu = 40°C, di calore specifico è CP = 4,18 kJ/(kg °C). Nel condensatore nuovo ed appena installato si realizza un coefficiente globale di scambio termico Uc = 2,5 kW/(m2   °C). Dopo un periodo di alcuni mesi, il condensatore presenta un coefficiente di sporcamento Rd = 0,1 (m2   °C)/kW dovuto principalmente all acqua di raffreddamento, che riduce la capacità di scambio termico dell apparecchio. Con i dati a disposizione il candidato calcoli: 1) la potenza termica che viene scambiata nell apparecchio; 2) la portata di acqua necessaria per realizzare la condensazione; 3) il coefficiente globale di scambio termico quando lo scambiatore è sporco; 4) la differenza di temperatura media logaritmica presente nel condensatore nell ipotesi che il liquido condensato esca dall apparecchio alla temperatura di condensazione (84°C); 5) l area di scambio necessaria per realizzare la condensazione in tali condizioni. Potenza termica Nel caso di vapore condensante si applicherà il bilancio nella forma (4.22): FV     ev = FA   CPA   (Tu   Ti ) che consente di calcolare direttamente la potenza termica (il primo membro) e la portata di acqua refrigerante: Q  = F     = 1200 kg/h   1800 kJ/kg = 2160000 kJ/h = 600 kW tr V ev FA = 600 kW Q  tr = = 7,55 kg/s   °C)   ( 40   21) °C 4,18 kJ/(kg CPA   (Tu   Ti ) Coefficiente globale di scambio termico A scambiatore usato, la resistenza totale allo scambio dovrà tenere conto di incrostazioni e sporcamento lato acqua: 1 1 1 (m2   °C)/kW + 0,1(m2   °C)/kW = 0,5 (m2   °C)/kW = + Rd = Ud Uc 2,5 Ud = 2 kW/(m2   °C) Differenza di temperatura media logaritmica Nel caso di vapore condensante non c è differenza tra la disposizione in equicorrente e controcorrente: Differenze temperature estreme  Ti = 84 °C   21 °C = 63 °C;  Tf = 84 °C   40 °C = 44 °C Differenza temperatura media logaritmica  Tml = 63 °C   44 °C = 53 °C 63 ln 44 Superficie di scambio termico Applicando l equazione di trasferimento globale, si ottiene: 600kW Q  tr A= = = 5,57m2 Ud    Tml 2 kW/(m2   °C)   53 °C 

Le nuove indicazioni ministeriali per "Chimica e Materiali" influenzano il manuale, mantenendo i punti chiave ma consentendo flessibilità.

Tecnologie chimiche industriali

Tecnologie chimiche industriali, Vol. 2

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