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

222 La scelta del materiale di riempimento 4.5 4   Assorbimento e strippaggio La corretta scelta del materiale più opportuno va fatta raggiungendo un compromesso tra l esigenza di raggiungere elevate superfici specifiche e quella di non ridurre eccessivamente il grado di vuoto. Infatti, superfici specifiche elevate comportano elevate superfici di interfase attraverso cui il soluto si può trasferire rapidamente. Tuttavia, il minore grado di vuoto associato alle elevate superfici specifiche potrebbe portare a perdite di carico notevoli che risulterebbero in cadute di pressione del gas piuttosto rilevanti, tra ingresso e uscita. Inoltre, eccessive perdite di carico possono causare l ingolfamento della colonna che consiste nella riduzione dello spazio utile per il passaggio del gas al punto che il gas gorgoglia nel liquido. Altre apparecchiature impiegate sono gli assorbitori a spruzzo, costituiti da colonne vuote in cui il gas entra dal fondo, mentre il solvente viene introdotto dall alto tramite una serie di iniettori che lo nebulizzano. Queste apparecchiature sono molto semplici, ma presentano un basso rendimento a causa della tendenza delle gocce di solvente alla coalescenza durante la caduta. Gli assorbitori centrifughi a spruzzo sono costituiti sempre da una colonna vuota, ma in cui il gas ed il solvente procedono nello stesso verso. L intima miscelazione tra le due fasi è ottenuta dal particolare ingresso tangenziale delle due correnti. ASSORBIMENTO CHIMICO Molti processi industriali realizzano un assorbimento chimico, in cui il trasferimento del soluto dalla fase gassosa a quella liquida è composto da due stadi: n un assorbimento fisico in cui la forza spingente è la differenza di potenziale chimico del soluto nelle due fasi; n una reazione chimica tra il soluto ed un reagente contenuto nel solvente. In tal modo il soluto gassoso viene rimosso dalla soluzione liquida e la sua concentrazione rimane lontana da quella di equilibrio. Il processo può essere descritto ancora dal modello a doppio film, con la differenza che, essendo la composizione in fase liquida zero, o prossima a zero, la forza spingente del trasferimento risulta esaltata. Applicazioni Una delle applicazioni più comuni dell assorbimento chimico è la rimozione di dell assorbimento gas acidi, come CO e H S. La rimozione di uno o ambedue di questi gas è uno 2 2 chimico stadio imprescindibile in molte importanti produzioni dell industria di processo, come la produzione e distribuzione di gas naturale, la produzione di gas di sintesi, i trattamenti di desolforazione delle frazioni petrolifere. Negli ultimi anni assumono sempre più importanza le applicazioni in campo energetico e ambientale, come il trattamento di biogas e la riduzione delle emissioni di CO2 dai fumi di combustione. Allo scopo vengono impiegate soluzioni acquose di monoetanolammina (MEA) o dietanolammina (DEA). Le reazioni con CO2 sono le seguenti:   (RNH3)2CO3 2 RNH2 + CO2 + H20   (4.28)   (R2NH2)2CO3 2 RNH + CO2 + H20   (4.29) dove il gruppo R è il gruppo alchilico dell etanolo HO-CH2-CH2-. 

223 4.6   Il controllo automatico La MEA presenta una alcalinità più elevata della DEA ed è più reattiva verso i gas acidi. Rispetto alla DEA possiede una massa molare inferiore per cui le masse da circolare nell impianto sono inferiori, con conseguenti carichi energetici inferiori per il trasporto e lo scambio termico. D altra parte la sua tensione di vapore relativamente elevata comporterebbe perdite significative nell operazione di strippaggio per il recupero del solvente. Inoltre, le soluzioni di MEA sono corrosive in particolare a concentrazioni elevate. In definitiva la MEA viene preferita alla DEA quando la concentrazione di CO2 e H2S non è eccessivamente elevata e il gas non contiene COS e CS2. Questi sono contenuti normalmente nei gas di raffineria, per la cui desolforazione si preferisce la DEA. Un esempio di impianto di assorbimento e strippaggio (v. Fig. 4.10) che utilizza soluzioni di etanolammine è anche riportato in Fig. 4.11, completo delle regolazioni automatiche. 4.6 Scopo del controllo automatico IL CONTROLLO AUTOMATICO L obiettivo del sistema di controllo automatico è quello di mantenere il rapporto tra le due portate al valore desiderato, coerentemente con il numero di stadi e le portate di gas e solvente, calcolati con la procedura di McCabe e Thiele. Inoltre, dovranno essere mantenute nelle colonne di assorbimento e strippaggio le condizioni favorevoli alle operazioni, ovvero alta pressione e bassa temperatura per la prima e condizioni opposte per la seconda. La corrente 1, costituita dal gas da trattare, viene compressa alla pressione di assorbimento con il compressore P1 e la sua portata è controllata dal controllore FC1 agendo sul riciclo a monte del compressore di una frazione del gas. 3 4 VB PC TC E6 E4 1 D2 FR 2 FR TC 1 3 3 s E2 AR AR FFC FFC VB 1 2 LC FC FR 1 2 1 C2 C1 E1 E5 TC 1 E3 LC 1 P1 D1 2 G1 Fig. 4.11 Impianto di assorbimento gas acidi con MEA. s 

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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