L'insegnamento mira ad approfondire le diverse tematiche relative alle operazioni unitarie dell’ingegneria chimica ed al loro impiego nei processi rilevanti alle trasformazioni ed all’impiego delle risorse energetiche. Esso si compone di due moduli.

Impianti chimici.

In questo modulo verranno trattati argomenti di tipo fondamentale e saranno forniti gli elementi per la scelta ed il calcolo delle principali unità impiegate nelle operazioni di separazione e purificazione.

Processi chimici.

Nel modulo verranno approfonditi il ruolo e le caratteristiche dei processi chimici di interesse per il settore energetico quali: trasformazioni delle materie prime energetiche necessarie a soddisfare i requisiti di impiego industriale dei combustibili; processi di produzione e trasformazione del gas di sintesi, riduzione degli inquinanti della combustione da sorgenti fisse e mobili. I processi verranno analizzati a partire dai criteri razionali di tipo termodinamico, cinetico ed impiantistico alla base della loro progettazione ed esercizio.

Impianti chimici.

A seguito del superamento dell'esame:

- Lo studente conosce i principi fondamentali delle operazioni unitarie, ed è in grado di identificare le differenti proprietà termodinamiche e fenomeni di trasporto di materia alla base della separazione delle materie prime.

- Lo studente è in grado di individuare limiti e potenzialità di ciascuna operazione unitaria analizzata, in funzione delle differenti materie prime considerate.

- Lo studente è in grado di dimensionare apparecchiature di i) assorbimento/stripping, ii) distillazione, iii) adsorbimento ed iv) estrazione con solvente in funzione dei criteri termodinamici, fluidodinamici ed economici appresi. Allo scopo, lo studente è in grado di utilizzare fogli di calcolo elettronici per il dimensionamento delle apparecchiature indicate, anche mediante l'implementazione di procedure iterative, apprese nel corso delle esercitazioni dell'insegnamento.

- In autonomia, lo studente è in grado di analizzare operazioni unitarie di media complessità, e di operare scelte progettuali in funzione del problema in considerazione e delle specifiche fornite.

Processi chimici.

Ci si attende che al teermine dell'insegnamento gli studenti siano in grado di:

- dimostrare di conoscere i processi chimici esaminati nell'ambito dell'insegnamento e di comprenderne le caratteristiche sulla base dei principi termodinamici, cinetici e di progettazione di impianto a partire dai quali sono stati sviluppati; 

- saper applicare i principi termodinamici, cinetici e di progettazione di impianto all'analisi dei processi esaminati durante l'insegnamento e più in generale, in modo autonomo, all'analisi dei processi chimici.

Impianti chimici.

Termodinamica delle miscele non ideali ed equilibrio liquido-liquido. Richiami relativi all’equilibrio di fase. Miscele non ideali. Modelli di soluzioni non ideali. Azeotropi omogenei ed eterogenei. Metodi per il calcolo dei coefficienti di attività. Equilibrio liquido-liquido.

Bilanci materiali e fenomeni di trasporto nelle operazioni unitarie. Ruolo dei fenomeni di trasporto di materia nell'influenzare le prestazioni delle apparecchiature per le operazioni unitarie. Caratteristiche fluidodinamiche dei piatti. Efficienza del piatto e della colonna. Correlazioni empiriche per il calcolo dell’efficienza. Riempimenti strutturati e casuali. Punti di loading e flooding. Modelli per il calcolo del coefficiente di trasporto di materia. Determinazione dell'altezza e del diametro della colonna. Perdite di carico. Trasporto di materia all'interno di solidi porosi. Diffusione interna ed esterna. Esempi relativi ai processi di adsorbimento.

Operazioni unitarie: Principi ed applicazioni principali dell’operazione, modalità operative, elementi di progettazione e cenni su problemi di verifica relativi alle seguenti operazioni unitarie:

1. Distillazione. Concetto di stadio di equilibrio ed introduzione alle colonne di distillazione: colonne spray, a piatti e a riempimento. Servizi termici delle colonne di distillazione. Progetto termodinamico di unità di distillazione: metodo di McCabe-Thiele. Bilancio entalpico e bilancio economico (riflusso ottimo). Ruolo delle condizioni operative sull’operazione.

2. Separazione per assorbimento e strippaggio. Processo multistadio isotermo. Calcolo della portata minima di solvente. Calcolo del numero di stadi di equilibrio.

3. Adsorbimento. Adsorbimento fisico e chimico. Isoterme di adsorbimento. Caratteristiche del materiale adsorbente e sua rigenerazione per via termica e tecnologia PSA. Bilanci di materia, capacità di adsorbimento, descrizione delle apparecchiature utilizzate.

4. Estrazione con solvente. Scelta del solvente. Processo semplice di estrazione, estrazione a stadi multipli.

Processi chimici.

Trattamenti e trasformazioni delle materie prime energetiche.

Raffinazione del petrolio: distillazione atmosferica ed in vuoto, reforming catalitico, cracking catalitico, hydrotreating e hydrocracking, isomerizzazione/alchilazione, ciclo dello zolfo. Processi di produzione idrogeno.

Processi per la produzione di carburanti sintetici ed additivi per benzine.

Sintesi di metanolo; Sintesi di Fischer-Tropsch.

Processi per la riduzione degli inquinanti della combustione.

Abbattimento ossidi di azoto da sorgenti fisse: processi continui (SCR ed SNCR) e rigenerativi (SCONOx); Abbattimento ossidi di azoto, CO ed incombusti da sorgenti mobili: marmitte catalitiche; sistemi di denitrificazione per motori a combustione magra. Abbattimento ossidi di zolfo da centrali termolettriche: processo FGD.

Precedenza consigliate: Fondamenti di processi chimici.

Impianti chimici.

L’esame consiste in una prova scritta di verifica dell’apprendimento dei concetti relativi al funzionamento e al dimensionamento delle apparecchiature, che potra¿ essere sostenuto nel periodo di valutazione finale al termine del semestre o in qualsiasi altro appello disponibile.

Nell'ambito della prova scritta, lo studente dovrà risolvere 1 o 2 problemi tipo nell'ambito delle operazioni unitarie. Sarà perciò accertata la capacità di:

- Impostare bilanci di massa ed energia, oltre che di relazioni di equilibrio

- Operare criticamente, in funzione delle specifiche del problema, opportune scelte progettuali, fornendo risposte quantitative ai quesiti dei problemi.

Lo studente potrà consultare testi e appunti, e utilizzare computer portatili e relativi software.

Processi chimici.

L’esame consiste in una prova orale di verifica della conoscenza dei processi chimici esaminati durante l'insegnamento e della  capacità di inquadrarli in modo razionale dimostrando la capacità di sapere applicare i principi termodinamici, cinetici e di progettazione di impianto all'analisi dei processi stessi.

La prova orale potrà essere sostenuta solo in seguito al superamento con esito positivo (>=18) dell'esame scritto di verifica dei risultati attesi del modulo precedente (Impianti Chimici).

La valutazione finale sarà unica per i due moduli del corso integrato e sarà data dalla media pesata (sul numero di CFU) delle due parti. Per entrambe, è necessaria una soglia minima di 18/30.