PRESENTAZIONE

Il corso tratta a livello avanzato le unit operations dedicate ai principali processi di separazione dell'industria chimica: absorbimento, distillazione e estrazione liquido-liquido. In ciascun caso, dopo i richiami preliminari di termodinamica, viene sviluppato l'approccio teorico. La parte teorica è supportata da esercitazioni pratiche (progettazione e verifica), svolte sia attraverso metodi analitici o grafici, sia al calcolatore mediante l’ausilio di uno dei più moderni software specifici (UniSim).  

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Il modulo ha finalità di fornire strumenti teorici avanzati per la progettazione delle unit operations di separazione di un impianto dell'industria di processo, a partire dallo sviluppo teorico fino alla realizzazione in campo. Verranno inoltre discussi i criteri avanzati per la scelta, progettazione ed esercizio di alcune tipiche colonne di separazione.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

L’obiettivo di questo insegnamento è quello di fornire agli studenti le conoscenze e gli strumenti di analisi dei fenomeni elementari che governano le operazioni unitarie dell’industria chimica di processo dedicate ai processi di separazione. 

Al termine dell’insegnamento gli studenti saranno in grado di:

• formulare modelli concettuali che descrivono la fenomenologia dei processi chimico-fisici di interesse;
• formulare le equazioni di continuità (massa ed energia) in sistemi a parametri distribuiti;
• governare il processo di scale-up dalla scala di laboratorio alla scala industriale;
• formulare le equazioni di progetto per il dimensionamento di massima delle apparecchiature utilizzate nelle separazioni fisiche;
• selezionare le operazioni unitarie più adeguate per la specifica applicazione;
• acquisire la capacità di esprimersi con una terminologia tecnica adeguata.

MODALITA' DIDATTICHE

L’insegnamento è erogato tramite lezioni frontali per un totale di 40 ore (equivalenti ai 5 CFU).

Il materiale didattico di supporto alla preparazione dell’esame sarà reso disponibile all’istanza di AulaWeb dedicata all’insegnamento.

PROGRAMMA/CONTENUTO

• Il modulo tratta le colonne per processi di separazione, ovvero absorbimento, distillazione ed estrazione liquido-liquido. In ciascun caso, dopo alcuni richiami preliminari di termodinamica, vengono sviluppate le equazioni e vengono illustrati i metodi semi-grafici che costituiscono la base concettuale dei metodi di calcolo numerico moderno.

  Absorbimento.

  Introduzione: Panoramica dei principi chimico-fisici. Absorbimento semplice. Stripping.

  Studio dei coefficienti di scambio locali e globali: Il meccanismo dell’absorbimento: la teoria del doppio film (Whitman) e le teorie piu’ recenti (Higbie, Dankwertz). Approfondimento circa la teoria del doppio film: applicazione della teoria della diffusione su film stagnante. Correlazioni fra i coefficienti di scambio locali e globali. Regimi di Gas Film limitante, Liquid Film limitante e misto.

  Apparecchiature per l’absorbimento: Confronto fra le colonne a piatti e le colonne riempite. Colonne con riempimento: caratteristiche generali. Le varie tipologie di riempimento.

  Effetti fluidodinamici in colonne con riempimento: Perdite di carico nelle colonne riempite. Loading, Flooding e Minimum Wetting Rate.

  Effetti termici nelle colonne di absorbimento: metodi di valutazione dei profili di temperatura nelle colonne riempite e a piatti. Profili di temperatura tipici. Conseguenze dei rialzi termici sull’ (L/G) minimo e sulle prestazioni della colonna. Sistemi di raffreddamento.

  Colonne di absorbimento con riempimento: Calcolo dell’altezza della colonna nel caso di colonna isoterma. Numero di unità di scambio e altezza per unità di scambio. Calcolo del rapporto L/G minimo. Considerazioni sulla valutazione dell’L/G minimo in colonne riempite non isoterme.

  Colonne di absorbimento a piatti: Caratteristiche dei piatti utilizzati per le colonne di absorbimento: geometrie ed efficienze. Calcolo del numero di piatti: metodo grafico basato sull’utilizzo della retta di lavoro e della curva di equilibrio. Metodo grafico alternativo basato sul fattore di absorbimento.

  Absorbimento associato a reazione chimica: Regimi individuati dai valori della costante di reazione: reazione lenta, regime intermedio, reazione veloce, reazione istantanea.

  Distillazione

  Distillazione continua di miscele binarie: Richiami di termodinamica. Definizione di volatilità e volatilità relativa. Metodo di McCabe-Thiele: rapporto di riflusso minimo (dimostrazione dell’equazione di Underwood) e massimo (infinito). Corrispondenti valori del numero di piatti teorici: massimo (infinito) e minimo (dimostrazione dell’equazione di Fenske). Modifiche necessarie per applicare il metodo di McCabe-Thiele al calcolo del numero di piatti teorici nel caso di colonne con alimentazioni multiple e prelievi di tagli intermedi. Colonne di stripping e di rettifica.

  Distillazione discontinua di miscele binarie: Caso di distillazione con composizione del prodotto di testa xD costante: calcolo del calore richiesto e del tempo totale di processo. Caso di rapporto di riflusso R costante: calcolo del calore richiesto e del tempo totale di processo.

  Distillazione continua delle miscele multicomponenti: Metodi di calcolo approssimati (short-cut): metodo di Erbar-Maddox per il calcolo approssimato del numero di piatti. Equazione di Fenske per il calcolo del numero di piatti minimo nel caso di miscele multicomponenti. Metodo di Underwood per il calcolo approssimato del rapporto di riflusso minimo. Metodi short-cut per la scelta del piatto di alimentazione. Metodi di calcolo rigorosi: il sistema di equazioni MESH ed i relativi metodi numerici di risoluzione.

  Progettazione della colonna di distillazione: tipologie di piatti. Efficienza. Scelta del diametro della colonna. Fluodinamica della colonna: regimi di weeping, coning, entrainment e flooding. Colonne di distillazione riempite.

  Estrazione liquido-liquido

  Introduzione: principi chimico-fisici e richiami di termodinamica.

  Calcolo del numero di stadi teorici: Calcolo del numero di stadi teorici nel caso a) flussi (raffinato/estratto) in equi-corrente e solventi parzialmente miscibili; b) flussi in equi-corrente e solventi immiscibili.

   

  Per ciascun argomento, la parte teorica è supportata da esercitazioni pratiche relative al calcolo (progettazione e verifica) delle colonne. Le esercitazioni sono svolte sia attraverso metodi analitici o grafici, sia al calcolatore (in aula informatica) mediante l’ausilio di uno dei più moderni software specifici (UniSim).

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Tutte le slide proiettate durante le lezioni sono disponibili su aul@web. I libri indicati sotto sono suggeriti come testi di appoggio:

 Libri di testo

J.F. Coulson, J.H. Harker, Chemical Engineering, Vol. 2, Fifth Edition, Elsevier Science (2002).  

R. Sinnott & G. Towler, Chemical Engineering Design, Fifth edition, Elsevier Science (2009).

R.E. Treybal, Mass-Transfer Operations, 3-rd edition, McGraw-Hill Book Co., 1980 (International Edition, softcover) (alternativo al McCabe)

W.L. McCabe, J.C. Smith, and P. Harriot, Unit Operations of Chemical Engineering, 7th edition, McGraw-Hill (2005).

Testo di consultazione:

R.B. Bird, W.E. Stewart, and E.N. Lightfoot, Transport Phenomena, 2nd edition, John Wiley (2007)

Materiali aggiuntivi per studenti lavoratori o studenti con specifiche disabilità di apprendimento sono disponibili su richiesta.

N.B.: le copie dei lucidi delle lezioni non sono sufficienti per una buona preparazione dell’esame, si suggerisce caldamente di utilizzare i libri di testo e quelli di consultazione.

DOCENTI E COMMISSIONI

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Questo insegnamento è offerto al primo semestre. L'inizio delle lezioni è gestito secondo il Manifesto (disponibile su https://corsi.unige.it/corsi/11767/). L’orario delle lezioni è disponibile su https://easyacademy.unige.it/portalestudenti/

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L'esame consiste in una discussione orale. Informazioni supplementari:

• le date sono disponibili on-line (‘Calendario Esami’ dell’Università di Genova);
• l’iscrizione deve essere fatta registrandosi on-line dalla pagina web: https://servizionline.unige.it/studenti/esami/prenotazione;
• l’aula prescelta per lo svolgimento dell’esame e l’ora di inizio, verranno comunicate di volta in volta mediante e-mail inviata tramite aul@web.

Il voto conseguito nell'insegnamento sara' la media dei voti attribuiti nei due moduli in cui si articola l'insegnamento stesso.

Per gli studenti con disabilità o con DSA si rimanda alla sezione Altre Informazioni.

Solo in casi urgenti l'esame può essere svolto in modalità telematica, in conformità con le normative emanate dall'Università.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

L'esame consisterà in una discussione orale. L’esame verterà principalmente sugli argomenti trattati durante le lezioni frontali e avrà lo scopo di valutare non soltanto se lo studente ha raggiunto un livello adeguato di conoscenze, ma anche se ha acquisito:

• capacità di progettazione mediante utilizzo dei metodi grafici tradizionali,
• familiarità con le metodologie di calcolo implementate dai moderni software di simulazione,
• capacità di gestione delle colonne pre-esistenti.

Verrà richiesto allo studente di rappresentare graficamente le varie tipologie di colonne corredate dagli ausiliari principali (ad es.: ribollitore, condensatore, accumulatore di riflusso). Verrà anche valutata la capacità di descrivere le colonne di separazione e i relativi processi in modo chiaro e con una terminologia corretta.

ALTRE INFORMAZIONI

Si ricorda alle studentesse e agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell'apprendimento (DSA) che per poter richiedere adattamenti in sede d'esame occorre prima inserire la certificazione sul sito web di Ateneo alla pagina servizionline.unige.it nella sezione “Studenti”. La documentazione sarà verificata dal Settore servizi per l’inclusione degli studenti con disabilità e con DSA dell’Ateneo, come indicato sul sito federato al link: SUSTAINABLE POLYMER AND PROCESS CHEMISTRY 11767 | Studenti con disabilità e/o DSA | UniGe | Università di Genova | Corsi di Studio UniGe.

Successivamente, con significativo anticipo (almeno 10 giorni) rispetto alla data di esame occorre inviare una e-mail al/alla docente con cui si sosterrà la prova di esame, inserendo in copia conoscenza sia il docente Referente di Scuola per l'inclusione degli studenti con disabilità e con DSA (sergio.didomizio@unige.it) sia il Settore sopra indicato. Nella e-mail occorre specificare:

•            la denominazione dell’insegnamento

•            la data dell'appello

•            il cognome, nome e numero di matricola dello studente

•            gli strumenti compensativi e le misure dispensative ritenuti funzionali e richiesti.

Il/la referente confermerà al/alla docente che il/la richiedente ha diritto a fare richiesta di adattamenti in sede d'esame e che tali adattamenti devono essere concordati con il/la docente. Il/la docente risponderà comunicando se sia possibile utilizzare gli adattamenti richiesti.

Le richieste devono essere inviate almeno 10 giorni prima della data dell’appello al fine di consentire al/alla docente di valutarne il contenuto. In particolare, nel caso in cui si intenda usufruire di mappe concettuali per l’esame (che devono essere molto più sintetiche rispetto alle mappe usate per lo studio) se l’invio non rispetta i tempi previsti non vi sarà il tempo tecnico necessario per apportare eventuali modifiche.

Per ulteriori informazioni in merito alla richiesta di servizi e adattamenti consultare il documento: Linee guida per la richiesta di servizi, di strumenti compensativi e/o di misure dispensative e di ausili specifici