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

226 esercizi Capitolo 4 esercizio 1 Una corrente gassosa a pressione atmosferica ed alla temperatura di 10°C contiene SO2 per una percentuale dello 0,15% in volume. Ipotizzando un coefficiente globale di trasferimento riferito alla fase liquida UL = 0,003 kmol/(s   m2)/(mol/L), determinare il flusso di anidride solforosa. Si utilizzi la relazione di equilibrio di Fig. 4.12.   necessario applicare la (4.15) e determinare la concentrazione c* virtualmente in equilibrio con la pressione parziale della SO2 nella miscela gassosa. Calcolo pressione parziale SO2 Per le miscele gassose, considerate ideali, le percentuali in volume corrispondono alle frazioni molari. Per la legge di Dalton la pressione parziale sarà: PSO2 = 0,15   101 kPa = 15,2 kPa Lettura concentrazione virtuale di equilibrio Dalla lettura sul grafico di Fig. 4.12 si ottiene: c* = 0,224 mol/L 20 SO210°C P (kPa) PSO2 = 15,2 kPa 15 forza spingente 10 5 0 0,1 0,2 c* = 0,224 0,3 0,40 0,50 c (mol/L) Fig. 4.12 Calcolo flusso di materia Applicando la (4.15) e considerando che la concentrazione dell acqua è nulla, si ottiene: Ns = UL   c * = 3 mol/(h   m2 ) (L/mol)   0,224 mol/L = 0,672 mol/(h   m2 ) 

227 Esercizi esercizio 2 Un volume di 20 Nm3 di una miscela gassosa contenente l 8% in moli di ammoniaca viene fatto gorgogliare in 50 kg di acqua ricircolando sino a raggiungere le condizioni di equilibrio. Determinare le composizioni finali dell acqua e della miscela gassosa. La curva di equilibrio in funzione dei rapporti molari presenta i seguenti valori: X 0,02 0,04 0,06 Y 0,0130 0,0309 0,0505 Il problema si risolve impostando i bilanci di materia e utilizzando la curva di equilibrio. La curva di equilibrio è fornita in rapporti molari. La soluzione si può effettuare graficamente. Condizioni iniziali   necessario rappresentare i dati in rapporti molari. Si otterrà: yi 0,08 = = 0,087 1   yi 1   0,08 Rapporto molare iniziale nel gas: Yi = Rapporto molare iniziale nel liquido: Xi = 0 Gas inerte nella miscela: Vi = 20 Nm3   (1   0,08 ) = 18,4 Nm3 Quantità molari L uso dei rapporti molari per le composizioni comporta l impiego delle quantità molari. Per il gas, considerando che 1 kmol occupa un volume di 22,4 Nm3, si ha: Gi = 18,4 Nm3 = 0,82 kmol 22,4 Nm3/kmol Per l acqua, considerando la massa molare di 18 kmol/kg, si ha: L = 50 kg = 2,78 kmol 18 kg/kmol Bilanci di materia Possiamo scrivere il bilancio di materia al soluto eguagliando le condizioni iniziali a quelle finali, considerando che nelle condizioni iniziali l acqua non contiene il gas soluto: Gi   Yi + L   Xi = Gi   Yf + L   X f che si può riscrivere nella forma: Gi   ( Yf   Yi ) =  L   ( X f   Xi ) Che rapprenda l equazione della retta passante per il punto Pi (Xi; Yi) di coefficiente angolare  L/Gi. Determinazione grafica delle condizioni finali Rappresentato sul piano X/Y il punto che rappresenta lo stato iniziale Pi, si traccia la retta che passa da Pi di coefficiente angolare  L/Gi fino a intersecare la curva di equilibrio (v. Fig. 4.13). 

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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