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

464 8   I processi di polimerizzazione I PVC Processo Vinyloop per il riciclo del PVC con l aria. In caso d incendio i fumi risultano tossici per la presenza di HCl. La lavorazione del VCM pone quindi seri problemi di sicurezza e di impatto ambientale. Le tecniche di polimerizzazione con cui si ottiene il PVC sono l emulsione e la sospensione. Con la polimerizzazione in sospensione, più usata, si ottiene un polimero più puro, più trasparente e che assorbe meno l acqua. Il PVC ha una temperatura di transizione vetrosa Tg   80 °C, è rigido, è parzialmente sindiotattico, ma, anche a causa delle ramificazioni solitamente presenti, presenta una cristallinità piuttosto bassa (5   10%). Resiste bene alle soluzioni acquose, agli acidi, alle basi, meno ai solventi organici. Resiste poco alla temperatura, già durante la lavorazione (  150°C) comincia a decomporre con meccanismo radicalico liberando HCl, per cui viene usualmente addizionato di stabilizzanti (sali di piombo, bario, stagno, ossidi ed idrossidi, ecc.) in grado di assorbire l HCl liberato. Anche le radiazioni UV innescano queste reazioni di decomposizione. In base alle applicazioni a cui è destinato si può avere PVC rigido, PVC plastificato e il plastisol (vedi oltre). Il PVC rigido è il polimero privo di additivi plastificanti o con una minima quantità di resine epossidiche o di altri polimeri aggiunti meccanicamente per migliorarne la resistenza all urto e la lavorabilità. Presenta discrete proprietà meccaniche e trova largo impiego nella produzione di profilati come tubi per acqua fredda (fino a 60 °C), tubazioni e canalette per la protezione di cavi elettrici, grazie alle buone proprietà dielettriche a temperatura ambiente e a   60 Hz e profilati vari per l edilizia, settore che costituisce il principale sblocco per il PVC rigido e che ne condiziona l andamento del mercato. Altre applicazioni si hanno nell industria chimica come valvolame e altra componentistica per usi a bassa temperatura e con soluzioni acquose. Il PVC plastificato si ottiene additivando il polimero fino al 30% con sostanze quali il diottil ftalato (DOP), il triottil fosfato, esteri del polipropilenglicol, ecc. Gli additivi costituiti da polimeri a basso grado di polimerizzazione sono preferiti rispetto alle sostanze a bassa massa molare per la maggiore permanenza nel polimero. L uso di ftalati a bassa MM come il DOP è sottoposto a restrizione in Europa in base al regolamento REACH e dovrebbe essere bandito entro il 2015. Per il PVC alimentare o medicale, le tipologie di plastificanti sono specificatamente normate. Il PVC plastificato viene lavorato principalmente per calandratura (v. § 13.8.1 Vol. II) con cui si ottengono fogli flessibili di vario spessore. Il plastisol è una particolare tecnica per ottenere materiali compositi come le finte pelli. Il PVC, preparato per polimerizzazione in emulsione, viene ridisperso in un opportuna miscela di diluenti e plastificanti liquidi. Il plastisol, così ottenuto, viene spalmato a freddo o spruzzato sugli appositi supporti, quindi per riscaldamento a 150   200 °C si ha la gelificazione con dissoluzione del polimero nel plastificante e formazione di un film omogeneo. Con opportuni additivi espandenti, si possono anche ottenere espansi e schiume a struttura microcellulare. Il PVC trova anche largo impiego nell imballaggio, anche alimentare, purché soddisfi a certi requisiti in relazione alla presenza di monomero residuo ed al contenuto di additivi. La pericolosità del monomero, la difficoltà nello smaltimento dei manufatti per la presenza del cloro sono argomenti che hanno spinto i produttori europei di PVC a formare un comitato volontario, Vinylplus, per sviluppare la sostenibilità ambientale della produzione e smaltimento del PVC. In quest ambito, all inizio degli anni 2000 è entrato in marcia a Ferrara un impianto di riciclo del PVC 

8.4 Il polivinilcloruro

8.5   Polimeri per le alte temperature 465 secondo il processo Vinyloop di Solvay. Da qualsiasi manufatto contenente PVC si recupera il polimero per dissoluzione in un solvente, da cui poi si recupera per precipitazione con opportuni additivi. Il solvente viene riciclato. Il polimero di riciclo (R-PVC) può essere utilizzato in tubazioni flessibili per irrigazione, per membrane e fogli impermeabilizzanti, come impregnante per tessuti impermeabili, per produrre oggetti per stampaggio ad iniezione, ecc. Oltre a Vinyloop, sono stati sviluppati altri processi per il riciclo o lo smaltimento del PVC. 8.5 POLIMERI PER LE ALTE TEMPERATURE Sono materiali nati inizialmente per soddisfare le esigenze di settori industriali ad alto contenuto tecnologico, quali le industrie aerospaziali ed elettroniche, sempre alla ricerca di materiali con specifiche proprietà applicative ed in generale che possedessero elevate proprietà meccaniche anche a temperature non basse, unite a densità notevolmente inferiori rispetto ai materiali metallici. Man mano che tali materiali si affermano, trovano anche un sempre più ampio uso nell industria automobilistica, in cui la riduzione delle masse resta sempre un fattore chiave per la riduzione dei consumi, e nell industria chimica. Tali materiali rientrano nella categoria dei termoplastici ad alte prestazioni e mediamente si intende che debbano mantenere delle buone proprietà meccaniche al di sopra di 150 °C. Sono tutti polimeri di policondensazione ottenuti da monomeri a struttura prevalentemente aromatica, per la richiesta stabilità alle alte temperature. In base ai gruppi funzionali presenti si hanno polisolfoni (PSU), polieteresolfoni (PES), polietereimidi (PEI) e poliimmidi (PI), polifenilene solfuro (PPS) e i poliarileterechetoni (polietereeterechetoni, PEEK e polieterechetoni, PEK). Oltre ai termoplastici, per fibre ad alte prestazioni si utilizzano i PEEK, il PPS e le poliarammidi (PARA), quest ultime descritte nel Vol. II (§ 13.10.2). Spesso, per ottenere materiali a prestazioni ancora più elevate, si ricorre all accoppiamento con fibre, ottenendo così dei materiali compositi (v. § 13.9 Vol. II). Inoltre, poiché la struttura aromatica è sensibile alle radiazioni UV, per applicazioni in esterno vengono solitamente caricati con nerofumo, il che risolve il problema. Tra tali materiali si può anche includere il politetrafluoroetilene (PTFE) per la sua resistenza alla temperatura e per la sua inerzia chimica anche se non possiede elevate proprietà meccaniche. Il volumi produttivi sono piccoli e i prezzi di vendita generalmente elevati.   un settore in continua evoluzione, sempre alla ricerca del miglioramento delle prestazioni e della facilità d uso, dato che i termoplastici amorfi si lavorano mediamente a 130   150 °C al di sopra di Tg e i cristallini a 30   50 °C al di sopra della temperatura di fusione. Quindi non è insolito che alcuni di questi materiali vengano superati da altri ed escano dalla produzione. 8.5.1 Polisolfoni (PSU) e polieteresolfoni (PES, PESU) Sono polimeri che contengono il gruppo solfone ( SO2 ). Tra questi, quelli principalmente utilizzati sono i PES, per cui le due sigle identificano in pratica la stessa classe di polimeri. Sono in genere dei polimeri amorfi. 

8.5 Polimeri per le alte temperature

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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