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

346 Controcorrente VS equicorrente Correnti miste 8   Concentrazione e cristallizzazione Ci sono validi motivi per preferire, quando possibile, la controcorrente. In questi impianti, infatti, l alimentazione entra fredda al terzo effetto che è l evaporatore relativamente più freddo dei tre. Quindi può essere portata alla temperatura di ebollizione T3 semplicemente dal vapore V2, mentre il vapore di rete, che si trova a temperatura maggiore, viene meglio sfruttato per cedere calore alla soluzione alla temperatura più alta T1. Un altra importante differenza è relativa all effetto della viscosità sui coefficienti di trasferimento globale nei tre effetti U1, U2 ed U3. Sappiamo che la viscosità delle soluzioni dipende sia dalla temperatura che dalla concentrazione. Nell impianto in equicorrente andando da E1 ad E3 la diminuzione della temperatura determina un aumento della viscosità. Nello stesso verso, si ha un aumento della concentrazione e un aumento della viscosità. In questo caso le variazioni di temperatura e concentrazione concordano verso un aumento della viscosità ed una diminuzione dei coefficienti di trasferimento passando da U1 ad U3. Nell impianto in controcorrente la diminuzione di temperatura determina un aumento di viscosità da E1 ad E3. Al contrario la concentrazione diminuisce nello stesso verso ovvero c1 > c2 > c3. Si hanno contributi opposti di temperatura e concentrazione che non determinano una tendenza netta della variazione della viscosità. I coefficienti globali di trasferimento si possono ritenere, pertanto, pressoché costanti. Di conseguenza, ci aspetteremo una distribuzione più uniforme dei flussi termici e delle superfici di scambio nei tre effetti, condizione necessaria per raggiungere le migliori condizioni economiche. Questi vantaggi compensano di gran lunga la necessità di impiegare pompe per muovere le soluzioni nella controcorrente. Nella equicorrente le soluzioni si possono muovere per effetto della differenza di pressione tra un evaporatore ed il successivo. Semplicemente la differenza di pressione è assicurata da valvole di strozzamento. Comunque, in base al modello di evaporatore impiegato, può essere necessario l impiego di pompe anche nella equicorrente. Tuttavia non sono rari i casi in cui devono essere preferiti gli impianti in equicorrente.   questo il caso delle soluzioni termodegradabili, trattate in molti processi dell industria alimentare. Nella equicorrente, infatti, le soluzioni più concentrate, e quindi maggiormente sensibili alla degradazione termica, si trovano negli ultimi evaporatori, dove la temperatura è più bassa. Al contrario, nella controcorrente si verificherebbe la condizione sfavorevole di elevate concentrazioni con elevate temperature. Per le soluzioni termodegradabili sono possibili ulteriori alternative impiantistiche che si propongono di raggiungere un compromesso tra i vantaggi della controcorrente e la necessità di evitare la degradazione termica. Le più comuni tra queste sono gli impianti a correnti miste, e quello a correnti incrociate. Nell impianto a correnti miste la soluzione si muove in controcorrente negli effetti iniziali ed in equicorrente in quelli finali. In questo modo le temperature delle soluzioni sono crescenti in corrispondenza degli effetti in controcorrente, sfruttando così la gradualità del trasferimento di calore. Quando la concentrazione è aumentata e con essa il rischio di degradazione termica, le soluzioni si muovono in equicorrente con i vapori con temperature che decrescono all aumentare della concentrazione. 

347 8.6   Bilanci e dimensionamento degli evaporatori a multiplo effetto Negli impianti a correnti incrociate ogni evaporatore viene alimentato con soluzione diluita, mentre le correnti di vapore proseguono nel verso consueto. FA TA Flussi dei vapori A E5 V1 V3 V2 V4 F VB T1 T2 T3 T4 TW T1s T2s T3s W E1 S1 CW E2 S S E3 CB S2 S E4 S C2 C1 S3 G2 C3 S4 TC G2 Flussi delle soluzioni Fig. 8.10 8.6 Impianto a correnti miste. BILANCI E DIMENSIONAMENTO DEGLI EVAPORATORI A MULTIPLO EFFETTO Una progettazione corretta degli impianti a multiplo effetto si propone l obiettivo di pervenire a superfici di scambio termico simili o identiche nei vari effetti. Rimandando alle risorse online gli approfondimenti circa le ipotesi e le procedure per una soluzione dettagliata, affrontiamo adesso il dimensionamento di massima degli impianti a multiplo effetto, ammettendo valide le semplificazioni di IPE = 0 ed entalpie delle soluzioni identiche a quelle del solvente. 8.6.1 Le equazioni di bilancio e trasferimento nei multipli effetti in equicorrente Per il dimensionamento degli impianti a multiplo effetto ci si riferisce sempre alle equazioni di bilancio e di trasferimento. Queste possono essere scritte per ogni singolo effetto in maniera del tutto analoga a quanto fatto fino ad ora. Facendo riferimento all impianto in duplice effetto in equicorrente illustrato in Fig. 8.11 e adottando la consueta simbologia, si ha: Bilanci di materia al primo effetto   F = V1 + S1     F   c0 = S1   c1 (8.16) 

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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