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

194 Glossario glossario Colonna.   l apparecchiatura utilizzata nella   maggior parte delle tecniche di distillazione e può essere a stadi o a riempimento. La prima è costituita da una successione di stadi in cui una corrente liquida viene posta a contatto con una corrente vapore. Le due correnti, inizialmente non in equilibrio, pervengono a condizioni di equilibrio tramite un trasferimento combinato di materia e calore. La colonna a riempimento realizza un contatto continuo tra le due fasi, che non sono mai in condizioni di equilibrio. Operazione unitaria con cui si realiz  zaDistillazione. la separazione di componenti di una miscela liquida che si basa sulla differente volatilità dei componenti. In base alle condizioni operative ed al tipo di miscela la distillazione si può realizzare con tecniche differenti (vedi), come la rettifica, il flash, la distillazione discontinua, azeotropica, estrattiva, ecc. In generale si produce un distillato, più ricco nel componente più volatile rispetto all alimentazione, ed un residuo più povero nel componente più volatile rispetto all alimentazione. Distillazione azeotropica. Tecnica impiegata   quando i componenti formano un azeotropo o presentano volatilità molto simili. Consiste nell aggiungere un terzo componente in grado di formare un ulteriore azeotropo, ma a composizione relativa diversa in maniera da estrarre dall azeotropo primario uno dei due componenti. discontinua (batch). Operazione in   Distillazione cui la carica si pone inizialmente nel ribollitore dove è portata a ebollizione. I vapori sviluppati, ricchi dei componenti più volatili, escono e costituiscono il distillato. La parte che residua nel ribollitore è ricca di componenti più altobollenti. Può essere condotta a riflusso costante e composizione del distillato variabile oppure a composizione del distillato costante e a riflusso variabile. con produzione di una fase vapore e di una liquida in equilibrio fra loro aventi diversa composizione. di McCabe e Thiele. Procedura di riso  Metodo luzione grafica che consente la determinazione del numero di stadi ideali in una colonna di distillazione.   applicabile solo se le portate molari di liquido e vapore si mantengono costanti. q. Rappresenta il rapporto tra il calo  reParametro necessario per portare una mole di alimentazione allo stato di vapore saturo nelle condizioni del piatto di alimentazione e il calore latente di vaporizzazione. di riflusso. Nella rettifica indica il rap  Rapporto porto tra la corrente riciclata in testa colonna ed il distillato estratto. Può variare tra zero ed infinito facendo variare la pendenza della retta di lavoro superiore tra 0° e 45°. di lavoro. Rappresentazione sul piano x/y   Retta (frazioni molari in fase liquida e vapore) dei bilanci di materia. La retta di lavoro del tronco di arricchimento è relativa al bilancio di materia effettuato tra la testa colonna ed una generica sezione del tronco di arricchimento. Analogamente la retta di lavoro del tronco di esaurimento è relativa al bilancio di materia effettuato tra il fondo colonna ed una generica sezione del tronco di esaurimento. Retta q.   il luogo dei punti descritto dall inter  sezione delle due rette di lavoro al variare del rapporto di riflusso. Passa dal punto rappresentativo della carica e la sua pendenza dipende dalle condizioni termiche dell alimentazione tramite il parametro q (vedi). Tecnica di distillazione continua con ri  Rettifica. flusso parziale del distillato condensato. Il piatto di alimentazione divide la colonna nel tronco di arricchimento, sopra l alimentazione, e nel tronco di esaurimento, sotto l alimentazione. Distillazione estrattiva. Tecnica impiegata Tecnica di distillazione continua che   quando   Strippaggio. i componenti della miscela presentaha lo scopo di separare il componente più volatino volatilità molto simili. L aggiunta di un terzo componente varia la volatilità relativa consentendo la separazione dei componenti. Flash. Tecnica di distillazione continua in unico sta  dio. L alimentazione viene parzialmente vaporizzata le di una miscela ottenendo dal fondo il componente meno volatile. La disposizione dei flussi è analoga al solo tronco di esaurimento di una colonna di rettifica, con l alimentazione che entra dall alto della colonna, che è priva di ribollitore. 

195 esercizi Capitolo 3 esercizio 1 100 kmol/h di una soluzione etanolo-acqua al 30 % in moli in etanolo deve essere distillata per ottenere un distillato al 75% in moli ed un residuo al 3% in moli di etanolo. Determinare le portate di distillato e di residuo. (Risposta: D = 37,5 kmol/h; W = 62,5 kmol/h) esercizio 2 10000 kmol/d di una miscela acqua-ammoniaca al 20% in moli di ammoniaca vengono distillati per ottenere in testa una miscela al 90% in moli di ammoniaca, contenente il 95% dell ammoniaca inizialmente presente. Determinare le portate di distillato e di residuo, nonché la composizione di quest ultimo. Applicare la procedura dell Esempio 3.5 per i bilanci di materia. (Risposta: D = 2111 kmol/d; W = 7889 kmol/d; xW = 0,0127) esercizio 3 Per i dati dell Esercizio 1 determinare le portate di vapore e di liquido nei due tronchi della colonna di distillazione quando si utilizza un rapporto di riflusso R = 3 e l alimentazione è liquida al punto di ebollizione. Determinare, inoltre, il calore da estrarre al condensatore e quello da fornire al ribollitore nell ipotesi che si attui una condensazione totale e che si scambi solo il calore necessario al passaggio di stato. Per il calore latente si assume   = 40000 kJ/kmol sia per il distillato che per il residuo. Determinazione dei traffici in colonna Sezione di arricchimento L = R   D = 112,5 kmol/h V = L + D = 150 kmol/h = 0,00417 kmol/s Sezione di esaurimento L  = L + q   F = 212,5 kmol/h V  = V = 150 kmol/h = 0,00417 kmol/s Fabbisogni termici Condensatore Q  c = V     = 0,00417 kmol/s   40000 kJ/kmol = 1667kW Ribollitore Q  r = V       = 0,00417 kmol/s   40000 kJ/kmol = 1667kW 

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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