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

278 esercizi Capitolo 5 esercizio 1 Cinque miscele binarie, costituite tutte dagli stessi componenti, A e B, contengono l 1, il 5, il 10, il 20 e il 50% di A. Quale sarà l equivalente concentrazione in rapporto rispetto a B? Per quali valori non si commette un grave errore nell utilizzare una concentrazione per l altra? (Risposta: 0,0101; 0,0526; 0,111; 0,25; 1. Solo alle basse concentrazioni, in relazione alla precisione desiderata e all operazione da effettuare, è lecito approssimare le concentrazioni in frazione a quelle in rapporto) esercizio 2 Cinque miscele binarie, costituite tutte dagli stessi componenti, A e B, contengono A in concentrazione, espressa in rapporto, di 0,02, 0,2, 2, 20 e 200. Quale sarà la corrispondente concentrazione in percentuale? (Risposta: 1,96%; 16,7%; 66,7%; 95,2%; 99,5%) esercizio 3 2,8 kg/s di una soluzione al 12% in massa di un soluto C in un diluente A, vengono estratti in un unico stadio con 2,4 kg/s di un solvente privo di soluto (S = B) e del tutto immiscibile con il diluente. Sapendo che il coefficiente di ripartizione è Kr = 4 e ipotizzando che si raggiunga l equilibrio tra raffinato ed estratto, calcolare la concentrazione in frazione del soluto nel raffinato e nell estratto e la resa d estrazione. (Risposta: xR = 2,7%; yE = 10%;   = 79,6%) esercizio 4 L estrazione descritta nell Esercizio 5.3 viene condotta, invece che con solvente puro, con la stessa quantità di solvente ma contenente l 1% in massa di soluto. Calcolare il fattore d estrazione e la resa d estrazione in queste nuove condizioni. Suggerimenti per la risoluzione Se YS   0, sostituendo la (5.8) nella (5.7) si ha: A   (XF   XR) = B   (Kr   XR   YS) da cui si può ricavare XR e quindi la resa. (Risposta:   = 3,86,   = 77,9%) esercizio 5 Quale rapporto solvente/diluente è necessario usare nel processo descritto nell Esercizio 5.3 per ottenere una resa d estrazione del 90%? (Risposta: B/A = 2,25) esercizio 6 Una soluzione contenente il 15% in massa di un soluto C in un diluente A, viene estratta con un solvente del tutto immiscibile con il diluente. Se si ottiene una resa d estrazione del 95% quale sarà la percentuale di soluto nel raffinato? (Risposta: 0, 87%) 

279 Esercizi esercizio 7 Calcolare il fattore d estrazione con cui si opera nell estrazione descritta nell Esercizio 5.3. (Risposta:   = 3,9) esercizio 8 In un processo d estrazione liquido-liquido a totale immiscibilità tra solvente e diluente, si vuole ottenere nel singolo stadio un rapporto tra il soluto presente nell estratto e quello nel raffinato pari a 3. Se Kr = 2, con quale rapporto solvente/diluente bisogna operare? Suggerimenti per la risoluzione In pratica il testo dice che si opera con un fattore d estrazione pari a 3. Quindi applicando la (5.16) si ha ... (Risposta: B/A = 1,5) esercizio 9 500 kg di una soluzione all 8% in massa di un soluto C in un diluente A, vengono estratti operando a stadi multipli a correnti incrociate. In ogni stadio si utilizzano 200 kg di solvente puro (S = B), totalmente immiscibile con il diluente A. Il coefficiente di ripartizione, che si può ritenere costante alla temperatura e nell intervallo di concentrazioni in cui si opera, vale Kr = 2. Con quanti stadi teorici è necessario operare se si vuole ottenere una resa d estrazione del 90%? Effettuare il calcolo analiticamente. Suggerimenti per la risoluzione Il risultato voluto si può ottenere dalla (5.19). Per poterla applicare è necessario ricavare la quantità di diluente presente nell alimentazione (A) e le concentrazioni in rapporto del soluto nell alimentazione e nel raffinato finale, mentre la quantità di solvente puro è un dato dell esercizio. Con opportuni calcoli si ottiene: A = 460 kg XF = 0,0870 Xn = 0,00870 Non resta che applicare la (5.19)... (Risposta: n = 3,70) esercizio 10 Effettuare il calcolo degli stadi teorici relativo all Esercizio 5.9 per via grafica. Risoluzione Cominciamo con il tracciare sul piano cartesiano la retta d equilibrio Y = Kr   X. Poiché la retta passa per l origine è sufficiente ricavare un solo punto per poterla tracciare. Ricaviamo la concentrazione nell estratto in equilibrio con l alimentazione: Y0 = Kr   XF = 2   0,087 = 0,174 Dato che valori superiori di concentrazione sono al di là dell intervallo d interesse limitiamo la costruzione grafica fino a questi valori (v. Fig. 5.25 a). Per costruire le rette di lavoro è necessario calcolare prima il parametro angolare secondo la (5.21). Nel nostro caso in ogni stadio si utilizza la stessa quantità di solvente, per cui tutte le rette di lavoro hanno lo stesso parametro angolare, che vale: A 460 kg   = =  2,30 B 200 kg Nell estrazione a correnti incrociate, le rette di lavoro rappresentano il luogo dei punti delle concentrazioni di alimentazione e solvente in ingresso ad uno stadio che portano alle concentrazioni d equilibrio date dall intersezione tra linea d equilibrio e retta di lavoro. La retta di lavoro del I stadio passa dal punto di coordinate (XF, YS). La si può tracciare ricordando il significato geometrico del parametro angolare, tracciando a partire dal punto 

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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