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

254 5   L estrazione liquido-liquido Possiamo ora fare un confronto con l estrazione a correnti incrociate. In pratica, con circa lo stesso numero di stadi e la stessa resa, nella controcorrente si opera con meno della metà di solvente e si ottiene un estratto molto più concentrato. Punti di pinch Condizioni limite Affinché abbia significato fisico, la retta di lavoro, nell intervallo di concentrazione d interesse, deve stare al di sotto della linea d equilibrio, in un grafico in cui la concentrazione del raffinato è posta sulle ascisse e quella dell estratto sulle ordinate. In tal modo, in ogni stadio di estrazione (p.e. il 4° di Fig. 5.10), la concentrazione di soluto nel raffinato entrante (X3) è superiore a quella nel raffinato uscente (X4), mentre quella nell estratto entrante (Y5) è inferiore a quella dell estratto uscente (Y4). Le condizioni limite, come per le altre operazioni a stadi di equilibrio, sono quelle per cui un estremità del segmento d interesse della retta di lavoro tocca la linea d equilibrio determinando un punto di pinch. In queste condizioni risultano un numero infinito di stadi e l operazione è impossibile (v. Fig. 5.11). Y Y ESTRATTI ESTRATTI Y1 Linea di equilibrio Linea di equilibrio Retta di lavoro YS Retta di lavoro RAFFINATI 0 X 0 RAFFINATI Xn a) X n minima Fig. 5.11 X XF b) A /B massimo Condizioni limite. Posizione della retta di lavoro in condizioni di rapporto diluente/solvente a) minimo e b) massimo. La condizione di minima inclinazione della retta di lavoro costituisce una condizione limite quando YS   0 e dipende dalla posizione del punto di coordinate (Xn,YS), in quanto è impossibile ottenere un raffinato con una composizione pari (o inferiore) a quella d equilibrio con il solvente fresco. Dà quindi il limite per la minima concentrazione di soluto ottenibile nel raffinato finale, in relazione a YS ovvero per la massima concentrazione di soluto tollerabile nel solvente fresco, in relazione a Xn (v. Fig. 5.11 a) L altra condizione limite corrisponde alla massima inclinazione della retta di lavoro. Dipende dal parametro angolare, cioè dal rapporto A/B che in queste condizioni assume il valore massimo (v. Fig. 5.11 b). Dà quindi la condizione limite per la minima quantità di solvente utilizzabile in quella data estrazione. Come per le altre operazioni a stadi, il rapporto A/B effettivo è spesso definito in funzione di A/B massimo. 

5.8 Estrazione a stadi multipli in controcorrente

255 5.9   Il trasferimento di massa nell estrazione liquido-liquido esempio 5.7 Calcolare la percentuale di A/B effettivo rispetto a quello massimo con cui si è operato nell Esempio precedente. Risoluzione Con riferimento alla Fig. 5.10, poiché si è operato con un solvente puro (YS = 0), è sufficiente fare il rapporto percentuale tra l ordinata del punto H (Y0) e quella del punto G (Y1). Più in generale, si ha: 0, 0899 Y1   YS   A    A    100 = 77,7 % di       100 =       =   B   Max 0,1157 B Eff Y0   YS 5.9 Estrazione a stadi e differenziale (5.26) IL TRASFERIMENTO DI MASSA NELL ESTRAZIONE LIQUIDO-LIQUIDO Nei paragrafi precedenti si è esaminato il modello a stadi d equilibrio che è particolarmente adatto al dimensionamento di apparecchiature il cui principio di funzionamento si basa su una serie di miscelazioni e decantazioni. Come si è già visto per distillazione, assorbimento e stripping, in cui il trasferimento di massa avviene tra una fase liquida ed una aeriforme, anche per l estrazione liquido-liquido, agendo in controcorrente, si può operare con un contatto continuo tra le due fasi senza che si raggiunga mai l equilibrio. Si ha così l estrazione differenziale. Come nello scambio termico in controcorrente tra i due fluidi c è sempre un  T che determina il trasferimento di calore, tra le due fasi liquide permane una differenza di concentrazione o, meglio di potenziale chimico, del soluto che costituisce la forza spingente per il suo trasferimento nel solvente d estrazione. In Fig. 5.12 è schematizzato l andamento delle concentrazioni a seconda della modalità d estrazione. X X F F E3 R E R1 R2 E2 R3 E1 S S l(t) a) l(t) b) X X F F R1 E1 S1 c) Fig. 5.12 S2 R2 E2 S3 E R3 E3 S l(t) R S l d) Andamento qualitativo delle concentrazioni lungo un generico estrattore a seconda delle modalità d estrazione. a) A stadio singolo o equicorrente; b) a stadi multipli in controcorrente; c) a stadi multipli a correnti incrociate; d) differenziale in controcorrente. La grandezza riportata sulle ascisse è la dimensione caratteristica dell apparecchiatura, per le operazioni continue, o il tempo, per le discontinue. 

5.9 Il trasferimento di massa nell'estrazione liquido-liquido

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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