Questo insegnamento ha l’obiettivo di fornire le conoscenze di base relative alla termodinamica ed alla cinetica chimica necessarie alla comprensione razionale dei processi chimici e delle operazioni unitarie che li costituiscono con riferimento all’impiego in applicazioni di interesse energetico.

Al termine del corso gli studenti dovranno essere in grado di impostare e risolvere problemi che richiedono l’applicazione di bilanci materiali ed entalpici in sistemi reagenti in relazione a processi a prevalente controllo sia stechiometrico, quali ad esempio la combustione, sia termodinamico quali ad esempio i processi di produzione di idrogeno e gas di sintesi a partire da idrocarburi.

Nel corso verranno inoltre trattati i problemi di equilibrio di fase in sistemi multicomponenti per il caso di miscele liquide ideali e miscele gassose ideali e reali.

Lo studente dovrà dimostrare:

a) di possedere completa conoscenza dei principi di termodinamica e cinetica chimica e equilibri multifase e multicomponente per la progettazione e l'analisi di processi chimici e operazioni unitarie

b) di essere in grado di applicare le conoscenze di cui sopra per l'analisi quantitativa di processi chimici attraverso la risoluzione di problemi riguardanti bilanci di massa ed energia, equilibri chimici di sistemi reagenti ed equilibri multicomponente e multifase

c) di essere in grado di applicare in modo autonomo le conoscenze oggetto del corso nella soluzione dei problemi riguardanti i processi chimici 

1. Bilanci materiali ed energetici nei sistemi reagenti a controllo stechiometrico (combustione)

1.1     Richiami di stechiometria. Reagente in eccesso ed in difetto. Dosatura stechiometrica.

1.2     Bilanci materiali su processi a controllo stechiometrico. Composizione ed analisi dei fumi.

1.3     Termochimica delle reazioni di combustione. Potere calorifico dei combustibili e calore di reazione. Legge di Hess.

1.4     Bilanci energetici su processi di combustione. Temperatura adiabatica di fiamma. Efficienza di combustione.

2. Sistemi reagenti a controllo termodinamico: Equilibrio chimico

2.1     Condizione di equilibrio per sistemi reagenti. Energia libera di Gibbs e potenziale chimico. Fugacità ed attività. Stati di riferimento per sistemi gassosi e condensati puri ed in miscela. Energia libera standard e costante di equilibrio. Effetti di temperatura e pressione sulla composizione di equilibrio: legge di Kirchhoff ed equazione di Van’t Hoff. Grado di avanzamento, conversione selettività e resa.

2.2     Bilanci materiali ed energetici in sistemi reagenti semplici e complessi. Calcolo della conversione all’equilibrio e della temperatura adiabatica di reazione.

2.3     Analisi termodinamica applicata ai processi della filiera di produzione di idrogeno.

3. Equilibri di fase in sistemi multicomponenti

3.1     Richiami generali sugli equilibri di fase.

3.2     Equilibri liquido-vapore in miscele ideali. Legge di Raoult e legge di Henry. Flash isotermo ed adiabatico.

3.3     Miscele di gas reali: fattore di comprimibilità, equazione degli stati corrispondenti. Equazioni di stato del viriale e di tipo cubico. Coefficienti di fugacità in miscele ideali e reali di gas reali.

3.4     Esempio. Reattore e condensatore del ciclo di sintesi del metanolo.

3.5     Equilibri liquido liquido. Miscele e soluzioni non ideali. Azeotropi omogenei ed eterogenei.

4. Cinetica chimica e reattoristica.

4.1     Velocità di reazione. Equazioni cinetiche: costante di Arrhenius e ordini di reazione. Reazioni elementari e reazioni apparenti. Legame tra cinetica e termodinamica. Meccanismi di reazione, sequenze di stadi: reazioni catalitiche e reazioni radicaliche a catena. Approssimazioni dello stato pseudo stazionario e dello stadio cineticamente controllante.

4.2     Reattori ideali perfettamente miscelati continui e discontinui. Reattori ideali a flusso a pistone. Ottenimento di leggi cinetiche da dati sperimentali.

5. Pile a combustibile

Principi termodinamici e cinetici alla base del funzionamento delle celle a combustibile. Classificazione e caratteristiche delle diverse tipologie di cella in funzione dell’elettrolita: elettroliti polimerici; elettrolita acido; carbonati fusi; ossidi solidi.

L’esame consiste in una prova scritta di verifica della capacità di applicazione quantitativa delle metodologie apprese e di una prova orale di verifica della comprensione dei concetti trasmessi.

Prova scritta: lo studente deve dimostrare di essere in grado di applicare i concetti oggetto del corso nella analisi quantitativa dei processi chimici attraverso la soluzione di problemi bilanci di massa ed energia, stechiometria, equilibrio chimico ed equilibri multifase e multicomponente.

Prova orale: l'ammissione alla prova orale è possibile solo in caso in cui lo studente abbia superato con votazione >=18 la prova scritta. Nella prova orale lo studente deve dimostare di possedere una conoscenza approfondita degli argomenti oggetto del corso e della loro applicazione a problemi riguardanti bilanci di massa ed energia, equilibri chimici di sistemi reagenti ed equilibri multicomponente e multifase.

Nel caso di superamento positivo (>=18) della prova orale, la valutazione finale dell'esame sarà una media pesata dei voti della prova scritta e della prova orale.