Reattori Chimici e Biochimici Maurizio Fermeglia DIA [email protected]

Reattori Chimici e Biochimici

Maurizio Fermeglia

DIA

[email protected]

Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio Fermeglia Trieste, 11 April 2023 - slide 2

L’importanza delle reazioni chimiche

Reazioni chimiche sono tecnologie fondamentali nella maggior parte dei processi chimiciLe caratteristiche delle reazioni influenzano pesantemente le condizioni di separazioneReattori ideali sono semplici da trattareNormalmente i reattori ideali sono sufficienti per bilanci di materia e di energia


Ingegneria delle reazioni chimicheOrigini

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


Perchè studiare CRE?CRE è necessario allo sviluppo di tecnologie esistenti e nuoveCRE è necessario per velocizzare la commercializzazione di nuove specie e sostanze chimiche, materiali (materie plastiche) e prodotti farmaceutici

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 esistentiCRE è forse il maggior responsabile della differenza del curriculum dell’ingegnere di processo da altri ingegneri


OPERARE con Processi NON inquinanti e orientati alla

INTENSIFICAZIONE DI PROCESSO

Risparmio di circa 30 % (Materie Prime + Energia + Costi Operativi)

Visione di come dovrebbe diventare un impianto chimico. (Rendering courtesy of DSM)

Ingegneria delle reazioni chimiche: applicazioni


1

34

7

5

2

6

Cosa fa un ingegnere di processo?

Fonte: AIChE


Biochimica ed Ingegneria biomedica

Biofarmaceutica, produzione di enzimiOrgani artificiali Ingegneria dei tessutiIngegneria del metabolismo Genomica e proteomicaTecnologia delle fermentazioni Trattamento rifiutiMateriali Biomedici



Energia e combistibili

Raffinazione del petrolioGas NaturaleCelle a combustibileFonti energetiche alternativeGenerazione di energia pulita

Ingegneria Alimentare

Nuovi alimenti Additivi per cibo Ottimizzazione del gustoPackagingShelf life



Elettronica

Strato sottile e processi in bulkSviluppo di materaili SemiconduttoriTrattamento delle scorieProgetto delle macchine Tecnologie di Nano-scala



Ambiente, sicurezza, salute …

Minimizzazione degli scartiSicurezza dei trasportiSicurezza degli impianti Protezione proprietà intellettualeInsegnamento FinanzaAmbienti governativi



Processi per prodotti chimici

Prodotti per agricolturaGas industriali Vernici, pigmenti, inchiostri PetrolchimicaPlastica, compositiCarta Sapone e cosmetici Tessuti sintetici, films, fibre

Costruzione e progetto di impianti

Progetto di unità e di impianti Upgrade e retrofitsControllo di impianti Information technologyGestione di progetti

Cosa hanno fatto gli ingegneri di processo?


Produzione chimica in US (in 10 9 kg)1. Sulfuric acid 39.622. Ethylene 25.153. Lime 20.124. Phosphoric acid 16.165. Ammonia 15.036. Propylene 14.457. Chlorine 12.018. Sodium hydroxide 10.999. Sodium carbonate 10.2110.Ethylene chloride 9.92

11.Nitric acid 7.9912.Ammonium nitrate 7.4913.Urea 6.9614.Ethylbenzene 5.9715.Styrene 5.4116.Hydrogen chloride 4.3417.Ethylene oxide 3.8718.Cumene 3.7419.Ammonium sulfate 2.6020.1,3-Butadiene 2.01


Produzione di acido solforico


Produzione di EtileneL’etilene viene usata per la produzione di poli etilene, la più famosa materia plastica del mondoNOVA Chemicals and Dow Chemical a Joffre

La più grande capacità produttiva di etilene nel mondo

Il più grande impianto di etilene nel mondo

C 2 H 6 C 2 H 4 + H 2

Reattori tubulari ad alta temperatura


Produzione di poli etilene a bassa densità


Produzione di poli etilene lineare a bassa densità


Produzione di Nylon 6,6


Reattori catalitici in automobili


Microelectronic devicesIngegneria delle reazioni chimiche per la fabbricazione di dispositivi per la microelettronica

CVD (deposizione di materiale – SiO2) Boron doping o ion-implementation (cambio di conduttività Etching (rimozione di materiale)


CVD per l’industria microelettronica


Fuel cells: Power station & Automotive


Celle a combustibile (Fuel Cells)


Celle a combustibile: processo semplificato con reformer esterno

CleanupReformer

Burner

Anode

Cathode

Natural Gas

Water

Exhaust Gas

Air

H2

Cleanup


Reforming Interno


Schema concettuale per un MCFC da 50 MW

Obiettivi del corso


Obiettivi del corsoSviluppare una metodologia generale utile da applicare alla risoluzione di vari sistemi:

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


Obiettivi del corsoCinetica Chimica

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


Piloni dell’ Ingegneria delle reazioni chimiche

Mole

Bala

nce

s

Rate

Law

s

Sto

ich

iom

et r

y

En

erg

y B

ala

nce

s

Diffu

s ion

Con

tact

ing

Design Chemical Reaction, PFR, CSTR, Batch, SemiB,...

Analysis of rate data, laboratory reaction, least-square analysis

Modeling real reactors, RTD, Dispersion, Segregation

Non isothermal operations, multiple steady state

Mass Transfer operations

Multiple reactions


Pre requisitiChimica generale

Reazioni chimiche Equilibrio e cinetica Stechiometria

Principi di ingegneria chimica Bilanci di materia e di energia Proprietà volumetriche di gas reali Fondamenti di bilanci integrati di materia e di energia

Termodinamica Equilibrio chimico Attività e coefficienti di attività

Informatica e matematica Manualità in Excel Soluzione di sistemi di eq. differenziali ordinarie Soluzione di sistemi non lineari Minimizzazione di funzioni


Argomenti del corsoConcetti di base di cinetica chimica omogenea, richiami di termodinamica e progetto di reattori per sistemi semplici (reattori ideali e singole reazioni)

1 – Bilanci di mole, Tipi di reattori 2 – Conversione e dimensionamento di reattori 3 – velocità di reazione, leggi cinetiche e stechiometria 4 – progetto di reattori isotermi

Reattori ideali: effetti termici e reazioni multiple 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 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

Logistica


OrarioMartedì: 14.30 – 17.00Mercoledì: 11.15 – 13.00 – 14.30 – 16.00 (*) Giovedì: 8.30 – 11.00

Lezioni in aula Arich (* aula C) Esercitazioni su PC propri


Testi di riferimentoElements of Chemical Reaction Engineering di H.Scott Fogler, 4rd Edition, Prentice HallRisorsa aggiuntiva: CD-ROM

Summary Notes Interactive Computer Modules Solved Problems - Thoughts on Problem Solving

Risorse Web http://www.engin.umich.edu/~cre/

Testi di riferimento 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 mateiale del corso http://studenti.di3.units.it


Metodolgia di esame: prove pratiche

Esercizi a casa Forniti in aula Possono essere esercizi teorici, numerici, al calcolatore Da consegnare risolti entro una certa data via email

I prova scritta 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 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


Metodologia di esameIl voto dell’esame è dato dai seguenti contributi:

Esercizi a casa fino a 5 punti Esercizi in aula (provette) fino a 15 punti Team work fino a 15 punti Prova orale eventuale arrotondamento

Prova orale Tradizionale per chi non ha superato le prove pratiche o

per chi non le ha fatte Volontaria per chi volesse arrotondare.


Strumenti e modalità didatticheLezioni 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 Via email In qualsiasi momento su appuntamento (da prendere via

email ) Riempire il modulo con gli indirizzi di e mail

Documents

Reattori Chimici e Biochimici Maurizio Fermeglia DIA [email protected]