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

80 Glossario glossario Nei sistemi non stazionari, la varia Accumulo. zione di materia o energia nel tempo. parziali. Equazioni di bilancio di materia Bilanci relative solo ad alcuni componenti di un sistema aperto. Frazione in massa. Rapporto adimensionale che misura la concentrazione come rapporto tra massa di soluto e massa di soluzione. Deve necessariamente essere < 1. Moltiplicando per 100 si ottiene la percentuale. Generazione. Nei bilanci di materia con rea zioni chimiche rappresenta la quantità di un prodotto generata o, con segno opposto, di un reagente scomparsa nell unità di tempo. Le quantità possono essere espresse in moli o in massa. Nei bilanci di energia il termine generazione non sarebbe formalmente corretto, a meno di reazioni nucleari che trasformano massa in energia. Tuttavia può essere comodo inserirlo in alternativa alle entalpie di reazione nei bilanci con reazioni chimiche, o in alternativa al lavoro elettrico o alla combustione all interno di un sistema. stazionario. Condizione in cui ogni Regime parametro del sistema assume valori costanti nel tempo. Da non confondere con una condizione di uniformità in cui ogni parametro assume gli stessi valori in tutti i punti del sistema. transitorio. Condizione di un sistema o Regime processo in cui anche un solo parametro varia nel tempo. Scomparsa. Opposto della generazione (vedi). di controllo. Una regione dello spa Superficie zio intorno al sistema scelta arbitrariamente e convenientemente per effettuare le equazioni di bilancio. Attraverso la superficie di controllo di un sistema aperto possono transitare sia materia che energia. Per un sistema chiuso può transitare solamente energia.

81 esercizi Capitolo 2 esercizio 1 Il cloruro ferrico (FeCl3) viene usato come coagulante nei trattamenti di rimozione dei solidi sospesi sia in acque grezze che in acque reflue. Viene commercializzato come soluzione al 41% in massa e deve essere dosato in maniera da raggiungere una concentrazione di 250 ppm nella corrente da trattare. Determinare la portata di soluzione madre da usare per trattare una portata di 50 m3/h di acque reflue. Si supponga la densità del refluo pari a quella dell acqua (  = 1000 kg/m3). In Fig. 2.14 viene riportata la sezione di miscelazione di una apparecchiatura di separazione solido-liquido (sedimentatore o accelator). Dati Facendo riferimento alla Fig. 2.14 si ha: Coagulante Portata in massa: Frazione in massa: Refluo in ingresso Portata volumetrica: Portata in massa Refluo in uscita Portata in massa: Frazione in massa: FFeCl3 cFeCl3 = 0,41 FV = 50 m3/h FR = 50000 kg/h Fus cus = 250 ppm = 0,00025 Si ricorda che la concentrazione in ppm (parti per milione) è adimensionale e solo numericamente si approssima a mg/L. Per convertire alla frazione in massa è sufficiente dividere per 1000000. FFeCl3, c FeCl3 Fig. 2.14 FR Fus, cus Bilanci di materia globale e parziale Bilancio globale FFeCl3 + FR = Fus Bilancio parziale sul cloruro ferrico FFeCl3   cFeCl3 = Fus   cus Abbiamo un sistema di due equazioni in due incognite (sottolineate nell espressione). Applicando il metodo per sostituzione, si ottiene: FFeCl3   cFeCl3   FFeCl3   cus = FR   cus; FFeCl3   cFeCl3 = (FFeCl3 + FR)   cus; FFeCl3   (cFeCl3   cus) = FR   cus; FFeCl3 = FR   cus 0,00025 = 50000 kg/h   = 30,5 kg/h. cFeCl3   cus 0,41   0,00025 

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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