OBIETTIVI FORMATIVI

Il corso si propone di approfondire le conoscenze sulle operazioni unitarie (di separazione fisica) e sui reattori chimici fornendo gli strumenti di base per la loro progettazione e selezione per le applicazioni di interesse all’industria chimica di processo e all’ambiente. Inoltre, si fornirà una solida base teorico-pratica per affrontare la risoluzione di problemi di inquinamento (industriale e non) nel comparto acqua.

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 e dell’industria dei trattamenti chimico-fisici del settore acqua. In particolare, si approfondiranno le conoscenze:

• di cinetica delle reazioni omogenee, eterogenee, catalitiche (fluido-solido) e biologiche;
• dei fenomeni di mescolamento in sistemi agitati;
• dei fenomeni di trasporto in matrici porose;
• dei principi di funzionamento di alcune operazioni unitarie meno comuni: adsorbimento (cromatografia industriale), sedimentazione, flottazione e filtrazione;
• di reattoristica chimica.

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

• formulare modelli concettuali che descrivono la fenomenologia dei processi chimico-fisici di interesse;
• pianificare le campagne sperimentali alla scala di laboratorio per ottenere le informazioni necessarie per il dimensionamento delle apparecchiature industriali;
• 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;
• formulare le equazioni di progetto per il dimensionamento di massima dei reattori chimici (omogenei, eterogenei, ideali e non ideali);

• formulare le equazioni di progetto per il dimensionamento di massima delle operazioni unitarie tipiche del settore acqua (sedimentazione, flottazione, filtrazione, e impianti a fanghi attivi);
• selezionare le operazioni unitarie più adeguate per la specifica applicazione;
• acquisire la capacità di esprimersi con una terminologia tecnica adeguata.

PREREQUISITI

Non sono previsti prerequisiti essenziali.

MODALITA' DIDATTICHE

L’insegnamento è erogato tramite lezioni frontali per un totale di 80 ore (equivalenti ai 10 CFU).

Durante l’anno saranno assegnati dei compitini da risolvere a casa che aiuteranno gli studenti ad acquisire i concetti trattati a lezione.

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

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.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Parte 1 (T, 5CUF)

• Approfondimento dei fenomeni di trasporto; analisi critica delle correlazioni disponibili per la stima dei coefficienti trasporto – materiale e termico – in sistemi a due fasi (gas-liquido e gas-solido) e a tre fasi (gas-liquido-solido). Modello di diffusione di Stefan Maxwell; modelli di trasporto in matrici porose.
• Operazioni unitarie tradizionali: soluzione rigorosa di una colonna di distillazione binaria (metodo Ponchon-Savarit); equazione cinetica di progetto per le apparecchiature a contatto continuo – colonne a letto impaccato -.
• Sistemi di agitazione: introduzione alla selezione e alla progettazione dei sistemi di agitazione.
• Processi di adsorbimento: introduzione al processo di adsorbimento in letti impaccati; introduzione alle teorie lineari e non-lineari dei processi di adsorbimento; separazioni a letto mobile e a letto mobile simulato; processi a scambio ionico.
• Problematiche relative allo scale-up: similitudini, concetti di regime di funzionamento, ricerca alla scala di laboratorio, di impianto pilota e di unità dimostrativa.

Argomenti opzionali

• Introduzione alle problematiche del controllo e del monitoraggio di processo.
• Introduzione ai concetti di analisi del rischio (Process Safety)

Parte 2 (T, 3CUF)

• Richiami sui reattori ideali discontinui, reattori continui ideali a flusso a pistone (PFR), reattori continui ideali a mescolamento (CSTR).
• Moto dei fluidi non ideale: distribuzione dei tempi di permanenza.
• Modelli di flusso non ideale: modello di dispersione, modello dei reattori in serie, modelli a più parametri.
• Mescolamento dei fluidi.
• Reazioni fluido-particella: modello del nucleo non reagente per particelle di dimensioni invariabili, velocità di reazione per particelle sferiche di dimensioni decrescenti.
• Reazioni fluido-fluido: studio dell’espressione cinetica. Reazioni in sospensione.
• Reazioni catalizzate da solidi.
• Reattori catalitici.

Parte 3 (T, 2CUF)

• Introduzione al trattamento delle acque, definizioni e parametri e generalità sui processi integrati di depurazione delle acque
• Richiami su sedimentazione, flottazione e filtrazione
• Trattamenti biologici: Definizioni, curva di crescita, cinetiche di crescita microbica, processi di trattament a biomassa sospesa ed a biomassa adesa. Aerazione. Bilanci di materia per processo a fanghi attivi, tempo di ritenzione idraulica ed età dei fanghi. Cenni sulla rimozione biologica di azoto. Bioreattori a membrana.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Libri di testo

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

Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4th Edition, McGraw-Hill, New York (2013)

H.S. Fogler, Elements of Chemical reaction Engineering, 4th edition, Prentice Hall (2006).

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

Testi di consultazione:

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

P.C. Wankat, Rate-Controlled Separations, Elsevier Applied Science (1990).

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.