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

462 8   I processi di polimerizzazione In questo caso la polimerizzazione viene proseguita allo stato solido operando a   250 °C in una corrente di gas inerte in un letto fluido o in un essiccatore sotto vuoto. Sono necessari tempi molto lunghi (  20 h), visto che lo stadio cineticamente limitante è la velocità di diffusione del glicol che si forma per le reazioni di condensazione dall interno delle particelle di polimero. 8.3 Sintesi dello stirene IL POLISTIRENE Il polistirene (PS) si ottiene per poliaddizione radicalica dello stirene, a sua volta sintetizzato a partire da benzene, che viene alchilato secondo Friedel e Crafts con etilene, e susseguente deidrogenazione catalitica dell etilbenzene così ottenuto: CH 2 CH 3 CH 2 + CH 2 CH 2 AlCl 3 cat. CH + H2 Lo stirene si polimerizza in massa o in sospensione (v. § 13.6 Vol. II). Si ottiene un polimero lineare e atattico, quindi amorfo. Con opportuni catalizzatori si può ottenere il polistirene isotattico, che non ha comunque proprietà tali da farlo risultare commercialmente interessante. Il polistirene ha una temperatura di transizione vetrosa Tg   80°C e rammollisce tra 90 e 100 °C.   duro, rigido, fragile, lucido e trasparente (se puro). Resiste bene alle soluzioni acquose e si può considerare ininfiammabile, non resiste invece agli ossidanti energici, ai solventi clorurati, agli idrocarburi aromatici, ai chetoni, ecc. I polistireni Il polistirene si produce in varie qualità, sia come omopolimero, sia come copolimero. Le principali sono le seguenti. Polistirene cristallo (GPPS, general purpose PS), lucido e trasparente ma fragile, ottenuto per polimerizzazione in massa. Si può colorare facilmente sia in massa, sia per trattamenti superficiali. Si lavora principalmente per iniezione e trova applicazione in svariati campi, principalmente nel settore dell imballaggio, anche per alimenti, dei giocattoli, dei casalinghi. Polistirene antiurto (HIPS, high-impact PS) ad elevata resilienza, ottenuto polimerizzando lo stirene in presenza di un 5   10% di elastomero. L elastomero, inizialmente disciolto nel monomero, durante la polimerizzazione si separa formando una fase elastomerica che resta dispersa nella matrice di polistirene. Come elastomero si utilizza il polibutadiene o il copolimero butadiene-stirene. Si verifica anche una certa reticolazione tra l elastomero e il polistirene. L incorporazione della fase elastomerica può avvenire anche meccanicamente nel polistirene già formato ma le prestazioni sono inferiori. Si lavora principalmente per iniezione per produrre contenitori di apparecchiature per l industria elettrica, degli elettrodomestici, dei casalinghi, ecc. Polistirene espanso (EPS), prodotto per polimerizzazione in sospensione in presenza di un idrocarburo basso bollente (p.e. pentano) che resta inglobato nelle perle di polimero. In alternativa si impregnano le perle già formate con l idrocarburo. 

8.3 Il polistirene

463 8.4   Il polivinilcloruro Le perle così ottenute sono poste negli stampi. Riscaldando lo stampo si ottiene il rammollimento del polimero e l evaporazione dell idrocarburo che fa dilatare le perle che, sospinte le une contro le altre, fondono insieme assumendo la forma dello stampo e dando così il manufatto voluto. Trova impiego principalmente nell edilizia come isolante termico e nell industria dell imballaggio. Copolimeri Copolimeri stirene-acrilonitrile (SAN), si considerano delle tecnoplastiche. Sono dello stirene superiori al polistirene per resistenza ai solventi e per tenacità, sono trasparenti. Copolimeri stirene-butadiene (SBR), ottenuti per poliaddizione radicalica in emulsione, sono le classiche gomme sintetiche, sviluppatesi durante la seconda guerra mondiale per sopperire alla carenza di gomma naturale. Più recentemente si sono sviluppati copolimeri a blocchi, ottenuti per poliaddizione anionica in soluzione, che costituiscono un esempio di elastomero termoplastico, un polimero, cioè, che a temperatura ambiente manifesta un comportamento simile a quello delle gomme vulcanizzate, mentre ad alta temperatura rammollisce e può essere lavorato come un comune termoplastico. Terpolimeri acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS), si considerano delle tecnoplastiche. Si preparano polimerizzando una miscela di acrilonitrile e stirene in un emulsione acquosa di butadiene. Si ottiene una resina bifasica costituita da inclusioni di gomma stirene-butadiene in una matrice costituita dal copolimero acrilonitrilestirene. Le resine ABS resistono meglio alle alte temperature, ai solventi e all usura del SAN. Copolimeri stirene-divinilbenzene. Si preparano per polimerizzazione in sospensione. Il divinilbenzene (1,4-dietenilbenzene) forma delle reticolazioni tra le catene, per cui si ottiene una resina termoindurente. Hanno un applicazione particolare, in quanto, sotto forma di microsfere porose, servono come matrice per la preparazione di resine a scambio ionico, ottenute funzionalizzando in vario modo l anello benzenico; p.e. per solfonazione si introducono dei gruppi-SO3H, con ottenimento di resine a scambio ionico acide. 8.4 Sintesi del cloruro di vinile IL POLIVINILCLORURO Il polivinilcloruro o cloruro di polivinile (PVC) si ottiene per poliaddizione radicalica del cloruro di vinile (VCM), a sua volta preparato a partire dall etilene che viene clorurato od ossiclorurato a 1,2-dicloroetano che, a sua volta, per deidroclorurazione dà il cloruro di vinile: C H2 CH2 + Cl2 CH2C l C H2 CH2 + 2 HCl + 1/2 O2   H2O C H2C l CH2 CHCl + HCl VCM Il cloruro di vinile è un gas a temperatura ambiente (p. eb.  13,7 °C a 1 bar) che comunque liquefa sotto pressione, tanto che viene stoccato liquido a 2   3 bar. Oltre ad essere cancerogeno, il VCM è facilmente infiammabile e forma miscele esplosive 

8.4 Il polivinilcloruro

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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