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

290 6   L estrazione solido-liquido (lisciviazione) 6.4.1 Resa d estrazione La resa d estrazione è data dalla frazione di soluto che si riesce ad estrarre rispetto alla quantità di soluto presente nell alimentazione. In forma percentuale è data dalla formula: F   xF   R   xR  % =   100 (6.10) F   xF Al numeratore la differenza tra il soluto presente nell alimentazione e quello che resta nel residuo dà il soluto estratto. esempio 6.2 Calcolare la resa per l estrazione dell Esempio 6.1. Risoluzione Riprendiamo i dati necessari per il calcolo: F = 0,60 kg/s; xF = 0,20; R = 0,80 kg/s; xR = 0,10. Possiamo ora applicare la (6.10):  % = 6.5 0,60 kg s   0,20   0,80 kg s   0,10 F   xF   R   xR   100 = = 33% F   xF 0,60 kg s   0,20 DIAGRAMMI TERNARI DELLE CONCENTRAZIONI PER L ESTRAZIONE SOLIDO-LIQUIDO Per rappresentare tre concentrazioni su un piano si ricorre a grafici a triangolo rettangolo isoscele (v. Fig. 6.3). 1 B S 0,9 0,8 E 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 M R 0,2 0,1 0 I 0 Fig. 6.3 F 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 C Diagramma ternario per l estrazione solido-liquido. Lunghezza originale del cateto 200 mm. 

6.4.1 Resa d'estrazione

6.5   Diagrammi ternari delle concentrazioni 291 I tre vertici corrispondono ai componenti puri, i lati ai miscugli binari e l area ai miscugli ternari. Sui due cateti sono riportate le concentrazioni: sul cateto orizzontale, rappresentativo dei miscugli I-C, quella del soluto (x), sul cateto verticale, rappresentativo dei miscugli I-B, quella del solvente (y). La concentrazione dell inerte (z) non è riportata sul grafico; se necessario la si ricava dalle altre due applicando la (6.6). In pratica il diagramma costituisce una porzione di piano cartesiano i cui assi, x e y, corrispondono ai cateti. esempio 6.3 Ricavare le concentrazioni dei componenti dei miscugli corrispondenti ai punti F, E, R del grafico di Fig. 6.3. Risoluzione    Punto F. Giace su un lato del triangolo, il cateto IC, ed è quindi un miscuglio binario costituito dall inerte I e dal soluto C. Leggiamo la concentrazione del soluto sulla scala delle x che risulta xF = 0,2. La concentrazione dell inerte si ricava per complemento a 1, secondo la (6.6); risulta zF = 1   0,2 = 0,8. La concentrazione del solvente, letta sulla scala delle y, risulta ovviamente pari a zero.     Punto E. Giace su un lato BC del triangolo, ed è quindi una miscela binaria costituita dal solvente B e dal soluto C. Leggiamo le concentrazioni sulle scale x e y e risultano xE = 0,25 e yE = 0,75. Punto R. Giace all interno del triangolo, ed è quindi un miscuglio ternario costituito da tutti e tre i componenti, l inerte I, il solvente B e il soluto C. Leggiamo le concentrazioni sulle scale x e y e risultano xR = 0,1 e yR = 0,3; ricaviamo per complemento a 1 la concentrazione dell inerte che risulta zR = 1   0,1   0,3 = 0,60. Lo studente ricavi autonomamente le concentrazioni per i punti S e M. 6.5.1 Bilancio di massa con i diagrammi ternari I diagrammi ternari risultano particolarmente utili nel dimensionamento dei processi d estrazione solido-liquido perché si possono utilizzare per fare i relativi calcoli per via grafica, evitando la risoluzione analitica del sistema di equazioni di bilancio. Il calcolo grafico si basa su due regole: la regola dell allineamento delle correnti formanti una miscela o derivanti da essa e la regola della leva. Allineamento delle correnti Allineamento Se si miscelano due correnti, p.e., F ed S di Fig. 6.3, a formare un miscuglio M, i tre delle correnti punti rappresentativi di F, M ed S sul diagramma ternario saranno allineati lungo la stessa retta. Così pure, se il miscuglio M si suddivide a formare due correnti, p.e., R ed E, anche i punti rappresentativi di R, M ed E saranno allineati lungo un unica retta. L allineamento delle correnti introduce una nuova relazione utile anche per il calcolo analitico. Infatti se applichiamo l equazione di una retta per due punti ai            segmenti , p.e., SM, MF e SF di Fig. 6.3, che giocoforza hanno lo stesso coefficiente angolare m, risulta: y   yS y   yM y   yS m= M = F = F (6.11) x M   xS xF   xM x F   xS 

6.5.1 Bilancio di massa con i diagrammi ternari

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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