L'industria chimica (non solo italiana) di oggi vede, rispetto al passato, una presenza molto superiore di settori ad alta diversificazione produttiva, quali la chimica fine, delle specialties e farmaceutica. Nell'ambito di tali settori industriali gli impianti e i processi sono normalmente discontinui. Molte delle reazioni condotte presentano in aggiunta rilevanti problematiche di sicurezza, a causa della loro elevate velocità ed esotermia.

Dopo una iniziale sezione volta alla caratterizzazione macrocinetica di sistemi reagenti in generale non omogenei, nella prima parte l'insegnamento si propone di fornire agli studenti criteri utili alla scelta e al monitoraggio delle condizioni operative normali sicure e produttive del reattore discontinuo in cui è condotta una reazione potenzialmente fuggitiva, anche in assenza di tutte le informazioni di dettaglio necessarie per affrontare il problema mediante approcci simulativi standard. Questo aspetto è di particolare importanza a causa dell'impossibilità di procedere alla caratterizzazione di dettaglio di ogni sistema reagente in un'industria tipicamente multipurpose e in evoluzione continua verso processi sempre nuovi.

Nella seconda parte dell'insegnamento viene infine affrontato il problema della protezione passiva del reattore contro sovrapressioni derivanti da condizioni incidentali, mediante criteri di calcolo ad hoc per le diverse tipologie di sistemi reagenti.

Da ultimo, l'obiettivo della parte finale dell'insegnamento è fornire agli studenti la capacità di effettuare l'analisi di un processo discontinuo reale, affrontato nei suoi dettagli di processo e di impianto.

Tutti gli argomenti sono affrontati con focalizzazione sia sul reattore (e sulle problematiche di dimensionamento ed esercizio che lo riguardano), sia sul processo.

Lo studente:

- è in grado di comprendere l'influenza dei fenomeni di trasporto di materia sulla velocità di conversione in sistemi reagenti eterogenei, con particolare riferimento ai principali parametri di impianto coinvolti (miscelazione);

- conosce i criteri di funzionamento sicuro di un reattore discontinuo in cui è condotta una reazione potenzialmente fuggitiva;

- è in grado di scegliere, a partire dalla ricetta di laboratorio, le condizioni operative sicure del reattore e di effettuarne lo scale-up e il monitoraggio a livello del reattore industriale;

- conosce le tecniche calorimetriche (suddivise fra tecniche di analisi termica, di calorimetria adiabatica e di calorimetria di reazione) volte alla caratterizzazione della stabilità termica di composti e miscele, nonché alle caratteristiche di pericolosità delle reazioni chimiche

- è in grado di scegliere e dimensionare correttamente il sistema di sfogo a protezione del reattore contro le sovrapressioni originate da reazioni fuggitive in esso condotte;

- è in grado di analizzare un sistema reagente discontinuo reale, acquisendo capacità critica nei confronti delle grandezze coinvolte e dei corretti ordini di grandezza attesi.

Il corso è suddiviso nei seguenti moduli, per i quali di seguito è ripotato il dettaglio degli argomenti:

A) Parte di Sicurezza dei Processi Discontinui (Prof. Francesco Maestri):

1) Bilanci macroscopici di materia ed energia per sistemi reagenti discontinui e semicontinui (sistemi monofase; sistemi bifase liquido-liquido: definizione e trattazione dei regimi di “slow reaction”, “fast reaction”, "instantaneous reaction", correlazioni per la stima dei parametri chimico fisici e di trasporto; adimensionalizzazione delle equazioni di bilancio, definizione e significato fisico dei parametri del modello.

2) Metodi per l’identificazione delle condizioni operative sicure e produttive di sistemi reagenti semicontinui esotermici (il metodo dei “boundary diagrams”: definizione e impiego per sistemi reagenti omogenei, bifase liquido-liquido; il metodo dei “temperature diagrams”: definizione e impiego per sistemi reagenti omogenei, bifase liquido-liquido; metodi "kinetic free": criteri energetici e loro estensione come criterio di "early warning"). Instabilità termica di sostanze e miscele e relativi criteri di previsione. Identificazione e analisi delle reazioni di decomposizione (concetto di temperatura di decomposizione e sua natura sperimentale; analisi termica: TG, DTA, DSC; calorimetria adiabatica: ARC, Phi TEC II; calorimetria di reazione: RC1.

 3) Scelta e dimensionamento dei sistemi di sfogo delle sovrapressioni nei reattori chimici (descrizione e criteri di installazione di PSV e RD; sistemi “vapour”, “gassy” e ibridi; regimi fluidodinamici, scarico monofase e multifase; regimi di efflusso; criteri di dimensionamento e verifica di PSV e RD: metodi per il calcolo della portata di gas/vapori generata; metodo Omega per il calcolo della capacità di efflusso).

4) Ottimizzazione dei processi discontinui. Ruolo della ricerca e sviluppo ai fini dell'ottimizzazione di processo: esempi industriali di ottimizzazione di processo in termini di riduzione consumi materie prime, riduzione consumi energetici, riduzione del carico inquinante in termini di reflui ed emissioni. Esame procedure operative industriali di processi a base solvente e a base acqua (attraverso esempi industriali reali): reazione, filtrazione, essiccamento. Apparati industriali e loro funzionamento: reattori agitati e procedure di inertizzazione; filtri piani in pressione per filtrazioni da solvente, filtri rotativi sotto vuoto e filtri a nastro per filtrazioni da acqua; essiccatori orizzontali sotto vuoto per essiccamenti da solvente, essiccatori a trasporto pneumatico e spray driers per essiccamenti da acqua; apparecchiature per il vuoto: pompe ad anello liquido ed eiettori e relative problematiche operative.

Il mix didattico si compone di lezioni ed esercitazioni frontali tenute dal docente incaricato, nell'ambito delle quali gli argomenti trattati verranno consolidati mediante l'illustrazione e la soluzione di casi industriali reali.

B) Parte di Sicurezza dei Reattori Discontinui (Prof.ssa Sabrina Copelli): 

1) Reattoristica e cinetica in reattori discontinui.

Illustrazione della struttura di un’azienda chimica a rischio di incidente rilevante con focus sui fattori di rischio presenti nella zona della produzione; cenni di cinetica: micro e macrocinetica (stesura dello schema cinetico, semplice o complesso; illustrazione delle caratteristiche peculiari dei sistemi reagenti multifase: reazioni liquido/liquido e gas/liquido); cenni di reattoristica: reattori ideali operanti in regime non stazionario (richiami sulla modellazione ed il controllo di reattori batch e semibatch, modellazione e controllo di reattori CSTR e PFR in fase di start-up e shut-down); richiami sulla stabilità termica di sistemi reagenti complessi omogenei in reattori non stazionari (runaway termico ed identificazione delle frontiere di stabilità).

2) Criteri di Identificazione delle frontiere di Runaway e Ottimizzazione di processo in reattori industriali.

Breve panoramica storica (dagli inizi del 1900 ad oggi) della definizione delle condizioni operative sicure e produttive (in scala industriale) per reattori discontinui e continui (fase di avviamento e stazionario).

3) Calorimetria applicata allo studio dei sistemi reagenti industriali.

Illustrazione dei principali metodi calorimetrici atti a caratterizzare la stabilità termochimica di sostanze o sistemi reagenti (Differential Scanning Calorimetry, DSC; Accelerating Rate Calorimetry, ARC; C80; PHI-TEC II; RC1) in diverse condizioni tipiche del funzionamento di un impianto industriale (sia di “routine” sia non standard o di emergenza); utilizzo di differenti set di prove calorimetriche per la definizione della cinetica di un sistema reagente qualsivoglia complesso.

4) Applicazione pratica: studio della cinetica e scale-up di processo.

Esempio pratico: scale-up processo di produzione 4-Cl-BTF - criticità termochimiche nei reattori discontinui eterogenei (L-L).

5) Tecniche per l’identificazione dei pericoli in impianti discontinui.

Illustrazione della tecnica di identificazione dei pericoli “Analisi di Operabilità Ricorsiva” e sua applicazione ad impianti discontinui. Applicazione ad un caso studio.

6) Illustrazione e ricostruzione critica di incidenti reali (modulo esercitazioni).

Illustrazione (anche attraverso la visione di video) della dinamica di incidenti realmente verificatisi in aziende chimiche; ricostruzione dettagliata delle cause dell’evento incidentale avvalendosi delle metodologie illustrate nei moduli precedenti.

Sono necessarie conoscenze di base di termodinamica e cinetica chimica e di fenomeni di trasporto di materia in presenza di reazioni chimiche.

Tali argomenti sono parte dei programmi degli insegnamenti di Termodinamica dell'Ingegneria Chimica e di Principi di Ingegneria Chimica.

A) Parte di Sicurezza dei Processi Discontinui (Prof. Francesco Maestri):

L'esame consiste nella presentazione di un progetto mutuato da un caso industriale reale, volto alla scelta e dimensionamento del sistema di sfogo delle sovrapressioni contro reazioni fuggitive.

Prendendo spunto dalla presentazione e discussione (in modo critico) delle scelte di processo e di impianto effettuate, verrà approfondita la corretta comprensione degli argomenti presentati nelle lezioni con particolare riferimento al significato fisico dei metodi e degli strumenti e della loro implicazione industriale.

B) Parte di Sicurezza dei Reattori Discontinui (Prof.ssa Sabrina Copelli):

La prova d'esame sarà orale e riguarderà i contenuti del corso.