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

260 5   L estrazione liquido-liquido Quindi per la (5.35) si ha: NOE = YE   YS 0,001833   0 = = 0,82 (Y *   Y )ml 0,002245 Cioè sono necessarie 0,82 unità di trasferimento in funzione dell estratto per ottenere la separazione voluta. Per calcolare il coefficiente composto di trasferimento si può utilizzare la (5.32) ma è necessario conoscere la sezione della colonna e la portata del solvente puro. Quest ultima si calcola dall equazione di bilancio (5.7), la prima dal diametro. Però bisogna prima ricavare la portata del diluente: A = F   (1   xF) = 0,007 kg/s   (1   0,05) = 0,0665 kg/s Calcoliamo ora la portata di solvente: B = A  0,05263   0,04712 XF   XR = 0,00665 kg s   = 0,01999 kg s 0,001833   0 YE   YS poi la sezione della colonna: 2 St =     d2 (0,100 m) =    = 0,007854 m2 4 4 quindi dalla (5.32) si ha: UDE   a = 0,01999 kg s B Y   YS B   *E =   NOE =   0,8165 = 1,155 kg (s   m3 ) 2 St   Z ( Y   Y )ml St   Z 0,007854 m   1,8 m Possiamo infine calcolare l altezza dell unità di trasferimento: HOE = 0,01999 kg s B = = 2,20 m UDE   a   St 1,155 kg (s   m3 )   0,007854 m2 In alternativa, si può calcolare HOE dalla (5.36) e poi ricavare UDE   a dalla (5.34). 5.10 STADI IDEALI E STADI REALI Nei precedenti paragrafi sono stati trattati i metodi per calcolare il numero di stadi ideali necessari ad ottenere la separazione voluta. Nelle apparecchiature d estrazione è impossibile raggiungere il perfetto equilibrio previsto dal modello di stadio teorico, per cui il dimensionamento viene condotto tenendo conto dell efficienza globale degli stadi, definita come  G = dove n  G: efficienza globale degli stadi; n nT: numero degli stadi teorici; n nE: numero degli stadi effettivi. nT nE (5.37) 

5.10 Stadi ideali e stadi reali

261 5.10   Stadi ideali e stadi reali Efficienza di Murphree L efficienza, inoltre, può anche essere espressa in forma percentuale. L efficienza del singolo stadio, analogamente alla distillazione, è data dalla relazione che esprime l efficienza di Murphree, cioè dal rapporto tra la variazione di concentrazione effettiva e quella che ci sarebbe stata se si fosse raggiunto l equilibrio. Facendo riferimento ad un sistema a totale immiscibilità, per l estratto si ha: ME = YE YE* YS YS (5.38) Dove: n Y*E: concentrazione che avrebbe il soluto nell estratto uscente nello stadio se si fosse raggiunto l equilibrio; n YE: concentrazione effettiva del soluto nell estratto uscente nello stadio; n YS: concentrazione del soluto nel solvente (o nell estratto entrante, se ci sono più stadi); n  ME: efficienza di Murphree per l estratto. Analogamente con riferimento al raffinato si ha: MR = XR X R* XF XF (5.39) Ovviamente in condizioni stazionarie la (5.38) e la (5.39) hanno lo stesso valore, per cui l uso dell una o dell altra è indifferente e dipende dalla disponibilità dei dati. esempio 5.9 6 kg/s di una soluzione al 30% in massa di un soluto in un diluente sono estratti in uno stadio con 3 kg/s di solvente puro. In uscita allo stadio si ottiene un estratto al 20% in massa di soluto. Sapendo che Kr = 2,5 e che solvente e diluente si possono considerare del tutto immiscibili, calcolare l efficienza di Murphree. Risoluzione Convertiamo le concentrazioni in frazione in concentrazioni in rapporto. Per la (5.11) si ha: XF = xF 0, 30 = = 0,4286 1   xF 1   0, 30 YE = yE 0,20 = = 0,25 1   yE 1   0,20 Calcoliamo ora la portata del diluente A: A = F   C = F   F   xF = F   (1   xF) = 6 kg/s   (1   0,30) = 4,2 kg/s Poiché si lavora con un solvente puro, conosciamo già la portata di B e per ricavare la concentrazione d equilibrio possiamo applicare la (5.9): X R* = 4,2 kg s   0,4286 A   XF = = 0,1539 A + B   Kr 4,2 kg s + 3 kg s   2,5 

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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