Transcript 01_Introduzione - Studenti Dipartimento di Ingegneria

Reattori Chimici e Biochimici
Maurizio Fermeglia
DIA
[email protected]
www.Mose.units.it
L’importanza delle reazioni chimiche
Reazioni chimiche sono tecnologie fondamentali nella
maggior parte dei processi chimici
Le caratteristiche delle reazioni influenzano pesantemente
le condizioni di separazione
Reattori ideali sono semplici da trattare
Normalmente i reattori ideali sono sufficienti per bilanci di
materia e di energia
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Ingegneria delle reazioni chimiche
Origini
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Ingegneria delle reazioni chimiche è nata come disciplina per
risolvere problemi originati dalla petrolchimica e dall’industria
chimica tra il 1940 ed il 1950.
Oggi viene utilizzata in campi molti diversi dalle origini e per
applicazioni molto lontane dall’ingegneria chimica classica
Cos’è l’ingegneria delle reazioni chimiche


CRE ha a che fare con sistemi reattivi di interesse per l’ingegneria
CRE è una disciplina che quantifica le interazioni tra i fenomeni di
trasporto e la cinetica di reazione e mette in relazione le
performance di un reattore con le condizioni operative e le variabili
della carica
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Perchè studiare CRE?
CRE è necessario allo sviluppo di tecnologie esistenti e nuove
CRE è necessario per velocizzare la commercializzazione di
nuove specie e sostanze chimiche, materiali (materie plastiche)
e prodotti farmaceutici
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Sviluppo di celle a combustibile per automobili
Sviluppo di processi biochimici e bio tecnologici
Processi nuovi per produzione di gas di sintesi
Nuovi reattori per la sintesi di catalizzatori a base di metallocene
Esplorazione di catalizzatori per lo sviluppo di nuovi processi
particolarmente economici
CRE è critico per il miglioramento ambientale di processi chimici
esistenti
CRE è forse il maggior responsabile della differenza del
curriculum dell’ingegnere di processo da altri ingegneri
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Visione di come dovrebbe diventare un impianto
chimico. (Rendering courtesy of DSM)
OPERARE con Processi NON inquinanti e orientati alla
INTENSIFICAZIONE DI PROCESSO
Risparmio di circa 30 % (Materie Prime + Energia + Costi Operativi)
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Ingegneria delle reazioni chimiche:
applicazioni
Cosa fa un ingegnere di processo?
Fonte: AIChE
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Cosa fa un ingegnere di processo?
Biochimica ed Ingegneria biomedica
Biofarmaceutica, produzione di enzimi
Organi artificiali
Ingegneria dei tessuti
Ingegneria del metabolismo
Genomica e proteomica
Tecnologia delle fermentazioni
Trattamento rifiuti
Materiali Biomedici
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Cosa fa un ingegnere di processo?
Energia e combustibili
Raffinazione del petrolio
Gas Naturale
Celle a combustibile
Fonti energetiche alternative
Generazione di energia pulita
Ingegneria Alimentare
Nuovi alimenti
Additivi per cibo
Ottimizzazione del gusto
Packaging
Shelf life
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Cosa fa un ingegnere di processo?
Elettronica
Strato sottile e processi in bulk
Sviluppo di materaili Semiconduttori
Trattamento delle scorie
Progetto delle macchine
Tecnologie di Nano-scala
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Cosa fa un ingegnere di processo?
Ambiente, sicurezza, salute …
Minimizzazione degli scarti
Sicurezza dei trasporti
Sicurezza degli impianti
Protezione proprietà intellettuale
Insegnamento
Finanza
Ambienti governativi
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Cosa fa un ingegnere di processo?
Processi per prodotti chimici
Prodotti per agricoltura
Gas industriali
Vernici, pigmenti, inchiostri
Petrolchimica
Plastica, compositi
Carta
Sapone e cosmetici
Tessuti sintetici, films, fibre
Costruzione e progetto di impianti
Progetto di unità e di impianti
Upgrade e retrofits
Controllo di impianti
Information technology
Gestione di progetti
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Produzione chimica in US
(in 10 9 kg)
1. Sulfuric acid 39.62
2. Ethylene 25.15
3. Lime 20.12
4. Phosphoric acid 16.16
5. Ammonia 15.03
6. Propylene 14.45
7. Chlorine 12.01
8. Sodium hydroxide 10.99
9. Sodium carbonate 10.21
10.Ethylene chloride 9.92
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11.Nitric acid 7.99
12.Ammonium nitrate 7.49
13.Urea 6.96
14.Ethylbenzene 5.97
15.Styrene 5.41
16.Hydrogen chloride 4.34
17.Ethylene oxide 3.87
18.Cumene 3.74
19.Ammonium sulfate 2.60
20.1,3-Butadiene 2.01
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Produzione di acido solforico
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Produzione di Etilene
L’etilene viene usata per la produzione
di poli etilene, la più famosa materia
plastica del mondo
NOVA Chemicals and Dow Chemical a
Joffre
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La più grande capacità produttiva di etilene
nel mondo
Il più grande impianto di etilene nel mondo
C2H6C2H4+H
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Reattori tubulari ad alta temperatura
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Produzione di poli etilene a bassa densità
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Produzione di poli etilene lineare a bassa
densità
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Produzione di Nylon 6,6
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Reattori catalitici in automobili
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Microelectronic devices
Ingegneria delle reazioni chimiche per la fabbricazione di
dispositivi per la microelettronica
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CVD (deposizione di materiale – SiO2)
Boron doping o ion-implementation (cambio di conduttività)
Etching (rimozione di materiale)
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CVD per l’industria microelettronica
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Fuel cells: Power station & Automotive
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Celle a combustibile (Fuel Cells)
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Celle a combustibile: processo semplificato
con reformer esterno
Natural
Gas
H2
Cleanup
Reformer
Burner
Water
Anode
Cleanup
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Exhaust
Gas
Cathode
Air
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Reforming Interno
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Schema concettuale per un MCFC da 50 MW
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Obiettivi del corso
Obiettivi del corso
Sviluppare una metodologia generale utile da
applicare alla risoluzione di vari sistemi:
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chimici (come produzione di sostanze chimiche, abbattimento degli
inquinanti,…)
biochimici e biologici (come crescite enzimatiche, crescita di
cellule,…)
elettrochimici (come celle a combustibile)
….
Dove l’ingegneria delle reazioni è necessaria
Argomenti fondamentali:


Cinetica Chimica
Progettazione di Reattori Chimici
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Obiettivi del corso
Cinetica Chimica
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Ha a che fare con quanto velocemente procede una reazione
(velocità di reazione)
Ha a che fare con meccanismi di reazione
Ha a che fare con effetti di P,T, composizione e catalisi sulla
velocità di reazione
Progetto di reattori chimici



Ha a che fare con il dimensionamento di reattori
Ha a che fare con tipi e configurazioni di reattori
Coinvolge considerazioni su trasferimento di calore e massa
Reazione chimica … in contrapposizione a reazione
nucleare
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Piloni dell’ Ingegneria delle reazioni chimiche
Multiple reactions
Mass Transfer operations
Non isothermal operations, multiple steady state
Modeling real reactors, RTD, Dispersion, Segregation
Analysis of rate data, laboratory reaction, least-square analysis
Design Chemical Reaction, PFR, CSTR, Batch, SemiB,...
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Pre requisiti
Chimica generale
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Reazioni chimiche
Equilibrio e cinetica
Stechiometria
Principi di ingegneria chimica
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Bilanci di materia e di energia
Proprietà volumetriche di gas reali
Fondamenti di bilanci integrati di materia e di energia
Termodinamica
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Equilibrio chimico
Attività e coefficienti di attività
Informatica e matematica
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Manualità in Excel
Soluzione di sistemi di eq. differenziali ordinarie
Soluzione di sistemi non lineari
Minimizzazione di funzioni
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Argomenti del corso
Concetti di base di cinetica chimica omogenea, richiami di
termodinamica e progetto di reattori per sistemi semplici
(reattori ideali e singole reazioni)
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Bilanci di mole, Tipi di reattori
Conversione e dimensionamento di reattori
velocità di reazione, leggi cinetiche e stechiometria
progetto di reattori isotermi
Reattori ideali: effetti termici e reazioni multiple
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
5 – Analisi di dati di velocità di reazione
7 – Meccanismi di reazione, bio reazioni e bioreattori
8 – Progetto di Reattori non isotermi
Sistemi complessi e reattori reali
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
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6 - Reattori multipli e reazioni multiple
10 – reazioni eterogenee
11 – 12 - Diffusione e reazione chimica
13 – 14 - Reattori non ideali e distribuzione di tempi di residenza
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Logistica
Orario
Lunedì, Martedì e Mercoledì: 17.30 – 19.00
Giovedì: 8.30 – 11.00
Giovedì: 17.30 – 19.00
Lezioni in aula Arich
Esercitazioni su PC propri
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Testi di riferimento
Elements of Chemical Reaction Engineering di H.Scott
Fogler, 4rd Edition, Prentice Hall
Risorsa aggiuntiva: CD-ROM

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
Summary Notes
Interactive Computer Modules
Solved Problems - Thoughts on Problem Solving
Risorse Web

http://www.engin.umich.edu/~cre/
Testi di riferimento
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Chemical Reaction Engineering by Octave Levenspiel, 3rd Edition, Wiley
& Sons
An Introduction to Chemical Engineering Kinetics & Reactor Design by
C.G. Hill, Wiley & Sons
Slides e materiale del corso

http://studenti.di3.units.it
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Metodolgia di esame: prove pratiche
Esercizi a casa
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Forniti in aula
Possono essere esercizi teorici, numerici, al calcolatore
Da consegnare risolti entro una certa data via email
I prova scritta
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Al termine della parte 1 (Reattori ideali isotermi)
Alcuni problemi da risolvere a mano con calcolatrice da tavolo
A disposizione tutti i manuali professionali e le fonti di dati
II prova scritta

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Al termine della parte II (reattori non isotermi)
Stesse metodologie di cui sopra
Team work


Discussione di un progetto da sviluppare al calcolatore
Sviluppo in gruppo
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Metodologia di esame
Il voto dell’esame è dato dai seguenti contributi:
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Esercizi a casa
Esercizi in aula (provette)
Team work
Prova orale
fino a 5 punti
fino a 15 punti
fino a 10 punti
eventuale arrotondamento
Prova orale
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Tradizionale per chi non ha superato le prove pratiche o per chi
non le ha fatte
Volontaria per chi volesse arrotondare.
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Strumenti e modalità didattiche
Lezioni teoriche su slides tipo PPT, che saranno rese
disponibili volta per volta sul sito del corso.
Esempi in classe (circa 50% del tempo dedicato ad
aspetti pratici) da svolgere mediante calcolatore
tascabile – foglio Excel – programmi di simulazione
(Polymath)
Home work
Dialogo con il docente
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Via email
In qualsiasi momento su appuntamento (da prendere via email )
Riempire il modulo con gli indirizzi di e mail
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