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. Il controllo automatico nei processi chimici

1.1 Premessa

1.2 Il comportamento dei processi

1.2.1 La caratteristica statica

1.2.2 Le caratteristiche dinamiche dei processi

1.2.2.1 Ricettività, resistenza e tempo morto

1.2.2.2 Il comportamento dinamico dei processi

1.2.2.2.1 Processi dotati di autoequilibrio

1.2.2.2.2 Processi di ordine zero con autoequilibrio

1.2.2.2.3 Processi con solo tempo morto

1.2.2.2.4 Processi con autoequilibrio del primo ordine

1.2.2.2.5 Processi con autoequilibrio del secondo ordine

1.2.2.2.6 Processi con autoequilibrio di ordine superiore

1.2.2.2.7 Processi privi di autoequilibrio

1.3 Il regolatore nei sistemi di controllo

1.3.1 Il comportamento dinamico dei regolatori continui in retroazione

1.3.1.1 I regolatori ad azione proporzionale (P)

1.3.1.2 I regolatori ad azione integrale (I)

1.3.1.3 I regolatori ad azione derivativa (D)

1.3.1.4 I regolatori ad azione PI

1.3.1.5 I regolatori ad azione PD

1.3.1.6 I regolatori ad azione PID

1.3.1.7 I regolatori reali

1.4 Il processo regolato in retroazione

1.4.1 Il regolatore ad azione proporzionale

1.4.1.1 Offset e reset

1.4.1.2 Stabilità dell'azione proporzionale

1.4.2 Il processo con regolatore ad azione integrale e PI

1.4.3 Il processo con regolatore ad azione PD

1.4.4 Il processo con regolatore ad azione PID

1.4.5 Caratterizzazione della regolazione e taratura (tuning) dei regolatori PID

1.4.5.1 Caratterizzazione delle risposte oscillatorie

1.4.5.2 La taratura (tuning) dei parametri del regolatore

1.5 Altri metodi di regolazione

1.5.1 La regolazione in cascata

1.5.2 I comandi

1.5.3 La regolazione in avanti (feedforward)

1.5.4 Regolazione di rapporto

1.5.5 Regolazione selettiva

1.5.6 Regolazione adattativa

1.6 Il problema della regolazione multivariabile e la scelta del sistema di regolazione

1.6.1 I gradi di libertà e il controllo di un sistema

1.6.2 Scelta dell'accoppiamento controllante - controllata. Associazione e dissociazione

1.7 Il controllo dei processi discontinui (batch)

1.7.1 L'organizzazione modulare del controllo nei processi discontinui

1.7.2 Sistemi e tipologie di controllo per i processi batch

Glossario

Esercizi

2. Le basi chimico-fisiche delle operazioni unitarie: equilibri liquido-vapore

2.1 Equilibrio liquido-vapore nei sistemi ad un componente

2.2 Grandezze parziali molari

2.2.1 Il volume parziale molare

2.2.2 Il comportamento delle miscele ideali

2.3 Equilibrio liquido-vapore per i sistemi a due componenti

2.4 La legge di Raoult e i diagrammi di equilibrio liquido-vapore

2.5 Le deviazioni dal comportamento ideale

2.6 Gli equilibri gas-liquido

3. La distillazione

3.1 Aspetti generali della distillazione

3.2 La rettifica continua

3.3 I bilanci di materia

3.4 Determinazione degli stadi con il metodo Mccabe e thiele

3.4.1 Le rette di lavoro

3.4.2 Le condizioni dell'alimentazione

3.4.3 Intersezione delle due rette di lavoro

3.4.4 La determinazione del numero di stadi

3.4.5 Scelta del rapporto di riflusso

3.5 Tipi di piatti

3.6 Efficienza della colonna e calcolo degli stadi reali

3.7 Diametro della colonna

3.8 Colonne a riempimento

3.9 Distillazione flash

3.10 Distillazione discontinua

3.11 Stripping

3.12 Distillazione estrattiva

3.13 Distillazione azeotropica

3.14 Distillazione in corrente di vapore

3.15 Il controllo di processo nella distillazione

4. Assorbimento e strippaggio

4.1 Aspetti generali dell'assorbimento e dello strippaggio

4.2 Le equazioni di trasferimento di materia

4.2.1 Il modello del doppio film

4.2.2 Il coefficiente di trasferimento globale

4.3 Il dimensionamento delle colonne di assorbimento

4.3.1 I bilanci di materia e la retta di lavoro

4.3.2 Il rapporto minimo solvente/gas

4.3.3 Determinazione del numero di stadi

4.4 Le colonne di assorbimento

4.5 Assorbimento chimico

4.6 Il controllo automatico

5. L'estrazione liquido-liquido

5.1 Principali impieghi dell'estrazione liquido-liquido

5.2 L'equilibrio di ripartizione e lo stadio d'equilibrio

5.3 Modalità di conduzione dell'estrazione

128 3   La distillazione 3.2 LA RETTIFICA CONTINUA Rettifica continua La separazione di miscele liquide per distillazione può essere effettuata, in base al tipo di miscela o alle caratteristiche del processo, secondo tecniche diverse, la più diffusa delle quali è la rettifica continua.   questa una operazione continua a stadi che viene realizzata in colonne di distillazione in cui la miscela da separare viene introdotta ad un altezza intermedia, mentre il vapore in uscita dalla testa della colonna viene condensato e parzialmente reinserito nella colonna allo stato liquido. La frazione di liquido reintrodotta in colonna viene chiamata riflusso, mentre quella estratta dal sistema distillato. Dall altra parte, al fondo della colonna, un ribollitore ha il compito di vaporizzare parzialmente la corrente liquida in uscita, introducendo il vapore prodotto in colonna. La frazione che viene allontanata dal sistema viene chiamata residuo o fondo colonna.   possibile in tal modo realizzare un processo a stadi multipli in cui una fase liquida scende dalla testa ed incontra in controcorrente una fase vapore che sale dal basso. L alimentazione viene introdotta in colonna ad una quota intermedia che, come vedremo, è funzione della sua composizione e della sua entalpia. La colonna viene così suddivisa in due sezioni: la sezione di arricchimento (detta anche di rettifica) posta al di sopra del piatto di ingresso dell alimentazione e la sezione di esaurimento (detta anche di strippaggio) posta al di sotto del piatto di ingresso dell alimentazione. Lo schema di riferimento è illustrato in Fig. 3.1, dove si è indicato con F, D e W rispettivamente le portate molari di alimentazione, distillato, il prodotto di testa che, rispetto all alimentazione, è relativamente più ricco nel componente più volatile, e residuo, il prodotto di fondo, relativamente più povero nel componente più volatile. Le composizioni sono indicate con zF, per l alimentazione, xD, per il distillato, e xW, per il residuo. Schema di colonna di distillazione E2 D, x D F = alimentazione D = distillato W = residuo F , zF z F = frazione molare alimentazione x D = frazione molare distillato x W = frazione molare fondo E 1 = ribollitore E 2 = condensatore E1 W, x W Fig. 3.1 Schema generale di una colonna di distillazione. 

129 3.2   La rettifica continua Funzionamento di una colonna di rettifica Per studiare il funzionamento di una colonna di rettifica consideriamo un singolo stadio, indicato con il numero d ordine n, con numerazione che parte dall alto della colonna (v. Fig. 3.2). Quello che si verifica in ogni stadio può essere descritto facendo riferimento ai diagrammi temperatura/composizione liquido-vapore illustrati nel capitolo precedente. Quando il vapore proveniente dal basso a composizione yn+1 viene a contatto con il liquido proveniente dall alto, a composizione xn 1, si realizza contemporaneamente un trasferimento di calore e di materia. Infatti, le due correnti provengono da condizioni di equilibrio differenti e, ricordando che nei casi di miscele la temperatura non si mantiene costante durante il passaggio di stato, anche da temperature differenti, Tn 1 per il liquido che scende dal piatto superiore e Tn+1 per il vapore che sale dal piatto inferiore. Pertanto, il vapore più caldo tenderà a raffreddarsi condensando in parte e cedendo calore al liquido. Questo verrà utilizzato dal liquido per riscaldarsi e vaporizzare in parte. Composizioni e temperature di liquido e vapore cambieranno e i punti che rappresentano gli stati del liquido e del vapore si sposteranno sulle curve di equilibrio fino alla linea di corrispondenza relativa alla temperatura Tn, in cui le composizioni delle due fasi saranno quelle di equilibrio. Risulta perciò che il vapore, attraversando lo stadio, è passato dalla composizione yn+1 a quella yn, ovvero si è arricchito nel componente più volatile. D altra parte il liquido è passato dalla composizione xn 1 a quello xn impoverendosi così nel componente più volatile. Ripetendo l operazione per un certo numero di stadi il vapore andrà sempre più arricchendosi nel componente più volatile via via che andrà verso l alto, mentre il liquido si impoverirà del componente più volatile via via che si sposterà verso il basso. TB Vn, yn Vapore Tn+1 Tn Tn Tn 1 Ln 1 , xn 1 Vn+ 1, y n+1 TA Fig. 3.2 Colonne a piatti e a riempimento x n 1 Ln , xn n+1 Liquido xn Tn n L+V 0 Tn 1 n 1 P = cost yn+1 yn Tn+1 1 Composizioni e temperature delle correnti al piatto n-esimo. Nella versione più tradizionale gli stadi sono costituiti da unità di contatto liquido-vapore chiamate  piatti  che possono essere progettate in diverse maniere. Nelle colonne a piatti il contatto liquido-vapore avviene in un numero determinato di piatti ad ognuno dei quali corrispondono variazioni discrete delle composizioni. In alcuni casi alle colonne a piatti vengono preferite le colonne a riempimento, in cui si ha un contatto continuo tra liquido e vapore ed una variazione continua delle composizioni. 

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. 3

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