PRESENTAZIONE

Il corso tratta le colonne per processi di separazione: absorbimento, distillazione ed 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 relative al calcolo (progettazione e verifica) delle colonne, svolte sia attraverso metodi analitici o grafici, sia al calcolatore (in aula informatica) mediante l’ausilio di uno dei più moderni software specifici (UniSim).  

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Il modulo ha finalità riconducibili all'acquisizione di strumenti teorici di base per affrontare la progettazione di un impianto dell'industria di processo, a partire dallo sviluppo teorico fino alla realizzazione in campo. Verranno inoltre affrontati i criteri di scelta, progettazione ed esercizio di alcune tipiche unità impiantistiche.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Al termine del modulo lo studente sarà in grado di:

• progettare colonne di separazione mediante l’utilizzo di metodi grafici e con l’ausilio dei uno dei più moderni software (UniSim);
• gestire e ottimizzare i parametri operativi di colonne pre-esistenti;

Lo studente avrà inoltre occasione di migliorare competenze trasversali quali abilita' comunicativa e capacità di lavorare in team attraverso il lavoro in gruppo in laboratorio informatico.

MODALITA' DIDATTICHE

Il modulo è articolato in lezioni teoriche (48 ore) e lezioni in laboratorio informatico (2 ore). 

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:

• R. Sinnott & G. Towler, Chemical Engineering Design, Fifth edition, Elsevier Science (2009).
• J.F. Coulson, J.H. Harker, Chemical Engineering, Vol. 2, Fifth Edition, Elsevier Science (2002).  

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

PAOLA COSTAMAGNA (Presidente)

CARLO SOLISIO (Presidente)

CATERINA SANNA

VALERIA TACCHINO

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Le lezioni iniziano il 2 marzo 2020.

Orari delle lezioni

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

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L'esame consiste in uno scritto-orale in cui il docente assegna alcune domande, tipiche di un esame orale, da sviluppare e discutere in forma scritta

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

L'esame consiste in uno scritto-orale in cui il docente assegna alcune domande, tipiche di un esame orale, da sviluppare e discutere in forma scritta. Le domande sono relative alle varie tipologie di colonne di separazione. Lo studente dovrà dimostrate di avere acquisito capacità di progettazione mediante utilizzo dei metodi grafici tradizionali, e di avere familiarità con le metodologie di calcolo implementate dai moderni software di simulazione. Lo studente dovrà altresì dimostrare di avere acquisito capacità di gestione delle colonne pre-esistenti.

Calendario appelli