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

414 Trasformazione di acetilene in etilene Modalità per controllo puntuale della temperatura 7   Petrolio, energia e materiali I gas di testa passano al reattore di idrogenazione R1 dove, tramite un catalizzatore a letto fisso, l acetilene viene trasformato in etilene sia per evitare i fenomeni di ramificazione nel processo di polimerizzazione dell etilene, che per i rischi di esplosione dovuti all instabilità termica dell acetilene. Quindi i gas vengono ulteriormente raffreddati con le correnti di gas in espansione, fino a lasciare allo stato gassoso il solo idrogeno che viene separato, nel raccoglitore D5, dalla fase liquida. Questa viene inviata alla colonna di demetanazione C6, da cui escono dalla testa metano e dalla coda etano ed etilene, a loro volta inviati ad ulteriore separazione in C7. Si otterrà infine etilene ed etano da inviare al riciclo. La corrente di fondo della deetanizzatrice viene inviata ad ulteriore frazionamento nelle colonne C8 e C9, ottenendo propilene, butileni e i C5. Uno degli aspetti più delicati del processo è il controllo del tempo di permanenza dei reagenti alle temperature di cracking. Per questo motivo in ogni forno della batteria è presente un sistema di bruciatori ciascuno alimentato dal combustibile in maniera autonoma dagli altri. In questo modo è possibile mantenere un controllo della temperatura puntuale in ogni parte del forno. Inoltre, oltre alla virgin nafta è necessario trattare anche l etano di riciclo del processo. In tal caso, data la maggiore temperatura di cracking richiesta dall etano, più leggero della virgin nafta, un forno della batteria viene dedicato esclusivamente per il processo dell etano, lavorando a temperature superiori e fornendo una maggiore conversione (v. Fig. 7.45). Via via che la carica procede lungo la tubazione si ha un aumento della temperatura e della conversione. Contemporaneamente la pressione diminuisce, per effetto della velocità crescente assunta dai vapori e delle conseguenti perdite di carico. Un esempio di evoluzione delle variabili operative lungo il percorso all interno del forno è illustrato in Fig. 7.45. 3.3 1100 Pressione 2.5 1.0 Conversione 900 0.8 0.6 Temperatura 700 0.4 0.2 2.0 500 10 20 30 40 50 60 70 Percentuale della lunghezza percorsa Fig. 7.45 Variazione di temperatura e conversione lungo la tubazione del forno. 80 90 100 Conversione Temperatura ( C) Pressione (atm) 3.0 

7.18.2 Processo e variabili operative

415 7.19   Il frazionamento dei C4 7.19 IL FRAZIONAMENTO DEI C4 I prodotti dello steam cracking contengono quantità significative di butadiene, buteni e butano. I vari isomeri, riepilogati in Tab. 7.16, possono essere isolati per essere inviati a lavorazioni successive, come il butadiene e l isobutene, oppure, se necessario, si possono convertire i buteni a loro volta in butadiene. ISOMERI TEMPERATURA (°C) ISOMERI TEMPERATURA (°C) n-butano   0,50 isobutene   6,90 isobutano   11,73 1,2-butadiene 10,85 1-butene   6,26 1,3-butadiene   4,41 2-butene cis 3,72 1-butino 8,07 2-butene trans 0,88 2-butino 26,99 Tab. 7.16 Isomeri C4 e punti di ebollizione. Distillazione estrattiva Come si può notare, alcuni composti presentano una temperatura di ebollizione troppo simile per potere essere separati per semplice distillazione. La soluzione adottata per le correnti provenienti da steam cracking consiste nel separare inizialmente l 1-3 butadiene, che costituisce circa il 44% in volume della corrente, per distillazione estrattiva. A tal fine si utilizza una soluzione acquosa al 4% di furfurolo, che abbassa la volatilità dei butadieni ed in parte dei 2-buteni che si separano dal fondo colonna, mentre dalla testa escono gli altri C4. In una seconda colonna si recupera il furfurolo, mentre in una terza colonna si separano per distillazione l 1-3 butadiene dalla testa e l 1-2 butadiene e parte dei 2-buteni dalla coda. La corrente di testa della distillazione estrattiva, costituita dai C4 privati dei butadieni, viene trattata con H2SO4 che reagisce con l isobutene secondo la reazione : H2C C CH3 + H2 SO4 CH3 H3C CH3 C O SO3 H CH3 (7.52) Si formano due fasi, una idrocarburica costituita dai C4 senza butadieni e isobutene ed una fase acida contenente il solfato di terzbutile. Per riscaldamento indiretto la (7.52) retrocede restituendo l isobutene. Per riscaldamento diretto con vapor d acqua si ottiene invece il 2-metil 2-propanolo: H3C CH3 C O SO 3 H + H2 O CH3 H3C CH3 C OH + H2 SO 4 CH3 (7.53) A questo punto la miscela di C4 privata sia di butadieni che di isobutene può essere sottoposta a distillazione di rettifica che separa dalla testa isobutano e 1-butene e dalla coda n-butano e 2-buteni. Ciascuna delle due correnti viene quindi sot- 

7.19 Il frazionamento dei c4

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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