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

238 Estrazione frazionata 5   L estrazione liquido-liquido Nella controcorrente, raffinati ed estratti percorrono l apparecchiatura in senso inverso; invece, nella disposizione a correnti incrociate solo i raffinati percorrono tutta l apparecchiatura, mentre il solvente entra fresco in ogni stadio e, sempre da ogni stadio, esce un estratto. Un ulteriore modalità di condurre l operazione è l estrazione frazionata, utilizzata quando si voglia separare due soluti quasi completamente. Oltre al solvente, selettivo verso uno dei soluti, si utilizza anche un controsolvente o solvente di lavaggio (W) selettivo verso l altro soluto e immiscibile con il solvente. Solvente e controsolvente si muovono in controcorrente mentre l alimentazione entra in posizione mediamente centrale (v. Fig. 5.4). Sezione d'esaurimento Sezione di lavaggio F R1 R2 M1 S Fig. 5.4 5.4 R3 M2 E1 Rm+ 1 Rm Rn-1 Mm E2 E m- 1 Rn M n-1 Em E n-2 W Mn E n-1 En Estrazione frazionata. F: alimentazione; S: solvente; W: controsolvente. IL COEFFICIENTE DI RIPARTIZIONE E LA LEGGE DI NERNST In condizioni d equilibrio le attività di un soluto ripartito tra due fasi liquide devono essere uguali, per cui si ha: y    E = x    R (5.1) dove n y: frazione molare del soluto nell estratto; n x: frazione molare del soluto nel raffinato; n  E: coefficiente d attività del soluto nell estratto; n  R: coefficiente d attività del soluto nel raffinato. Costante e coefficiente di ripartizione Solo a basse concentrazioni del soluto e alla stessa temperatura i coefficienti d attività nelle due fasi si possono ritenere costanti e dalla (5.1) si ha: y = x R E =K (5.2) dove K è detta costante di ripartizione. La (5.2) esprime la legge di ripartizione di Nernst ed è valida per soluzioni diluite in assenza di fenomeni di associazione o dissociazione del soluto nelle due fasi. Più in generale il rapporto tra le concentrazioni del soluto nelle due fasi definisce 

5.4 Il coefficiente di ripartizione e la legge di nernst

239 5.5   Sistemi a completa immiscibilità tra solvente e diluente Sistemi immiscibili e a parziale miscibilità il coefficiente di ripartizione Kr, che varia, oltre che con la temperatura, anche con le concentrazioni. Inoltre le concentrazioni, oltre che con le frazioni molari, possono essere espresse in altre unità, a seconda della convenienza. L equilibrio di ripartizione dipende marcatamente dalla temperatura, mentre l influenza della pressione, trattandosi di fasi condensate, è generalmente trascurabile, tranne che non si operi con solventi in condizioni supercritiche (v. § 6.9). La rappresentazione grafica delle relazioni d equilibrio di un sistema ternario costituito da diluente (A), solvente (B) e soluto (C) può presentare diversi casi. Una rilevante suddivisione, che si riflette anche sul metodo di calcolo del numero degli stadi d equilibrio e del bilancio di materia, è tra: n sistemi in cui solvente e diluente sono del tutto immiscibili; n sistemi in cui i tre componenti sono più o meno parzialmente miscibili. Online Nell edizione cartacea di questo testo, per quanto riguarda i bilanci di materia e il calcolo del numero di stadi d equilibrio, saranno trattati solo i sistemi a totale immiscibilità. I sistemi a parziale miscibilità saranno trattati solo nell edizione online. 5.5 SISTEMI A COMPLETA IMMISCIBILIT  TRA SOLVENTE E DILUENTE Coefficiente di ripartizione   un caso limite, dato che una pur minima miscibilità è sempre presente. D altro canto l assunzione di una totale immiscibilità semplifica notevolmente le procedure di calcolo del bilancio di materia e del numero degli stadi d equilibrio, per cui, se l approssimazione è lecita, è un assunzione di certo preferibile. In questo caso è conveniente esprimere la relazione d equilibrio come: Kr = Concentrazioni in rapporto Y X (5.3) Nella (5.3) Kr è il coefficiente di ripartizione in rapporto. Y e X sono le concentrazioni in rapporto del soluto, rispettivamente, nell estratto e nel raffinato, definite come: Y= mCE mB (5.4) X= mCR mA (5.5) e con n mCE = massa del soluto nell estratto; n mCR = massa del soluto nel raffinato; n mB = massa del solvente nell estratto; n mA = massa del diluente nel raffinato. 

5.5 Sistemi a completa immiscibilità tra solvente e diluente

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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