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

526 10   I fondamenti chimico-fisici dei processi: la termodinamica chimica esercizio 17 Benzene e cicloesano hanno punti di ebollizione molto prossimi che li rendono di difficile separazione per distillazione. Nella produzione del cicloesano per idrogenazione del benzene è necessario pertanto raggiungere elevate conversioni. Con i dati dell esercizio precedente, ipotizzando un comportamento da gas ideali, calcolare la pressione per avere una resa termodinamica del 99,8%, partendo da reagenti puri, nel caso (a) di utilizzare un rapporto stechiometrico tra benzene e idrogeno e nel caso (b) di impiegare un eccesso di idrogeno del 50% sullo stechiometrico. Suggerimenti Partire da 1 mol di benzene ed esprimere le moli all equilibrio in funzione della resa. Per il caso (b) aggiungere alle moli all equilibrio di H2, calcolate per lo stechiometrico, l eccesso previsto. Sostituire alla resa il valore dato (0,998), calcolare le frazioni molari e quindi la Kx per i due casi. Ricavare, infine, la pressione totale all equilibrio (notare la differenza). (Risposta: (a), Kx = 2,35   109, P = 1,10   103 bar; (b), Kx = 2299, P = 11,0 bar) esercizio 18 Il processo per produrre cicloesano da benzene, oltre che in fase vapore, è condotto in fase mista con un forte riciclo di cicloesano liquido per moderare l esotermicità della reazione. Per la reazione d idrogenazione del benzene a cicloesano si consideri una miscela di partenza con la composizione di 2 mol di benzene, 7 mol di idrogeno e 1 mol di cicloesano. Partendo da tale miscela calcolare il grado d avanzamento nelle seguenti condizioni: reazione tutta spostata a sinistra, tutta a destra, 0,5 mol di benzene. (Risposta:   =  1; 2; 1,5 mol) 

11 I fondamenti chimico-fisici dei processi: cinetica chimica, catalisi, reattori ABILIT  COGNITIVE   Definire la velocità di reazione.   Definire molecolarità e ordine di reazione.   Descrivere, tramite l equazione di Arrhenius, le grandezze che influenzano le costanti cinetiche.   Descrivere le caratteristiche principali dei catalizzatori e della catalisi.   Descrivere i principali modelli di reattori chimici. ABILIT  PRATICHE   Saper integrare semplici equazioni cinetiche.   Saper verificare l ordine di reazione.   Saper calcolare la costante cinetica.   Saper calcolare il tempo di dimezzamento e saperlo applicare al decadimento radioattivo.   Saper determinare l ordine superiore di reazione dalla misura della velocità iniziale.   Verificare, note le costanti e le relative temperature, la corrispondenza con l equazione di Arrhenius, calcolando anche l energia d attivazione e il fattore preesponenziale. 

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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