ECTS - University of Pisa
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PRINCIPLES OF CHEMICAL ENGINEERING
ROBERTO MAURI
Academic year2022/23
CourseCHEMICAL ENGINEERING
Code540II
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
PRINCIPI DI INGEGNERIA CHIMICA IING-IND/24LEZIONI60
VINCENZO TRICOLI unimap
PRINCIPI DI INGEGNERIA CHIMICA IIING-IND/24LEZIONI60
ROBERTO MAURI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Questo è il primo corso in cui lo studente apprende come affrontare problemi relati al trasporto di massa, energia e quantità di moto. La sua caratteristica principale è quella di presentare una formulazione unitaria e coerente per tutti i fenomeni di trasporto. I flussi di massa, calore e quantità di moto sono espressi come la somma di una componente convettiva e di una diffusiva, quest'ultima modellata come il moto casuale di un tracciante (di massa, energia e quantità di moto). Alla fine, questa teoria generale viene applicata per modellare il moto dei fluidi e il trasporto di calore e massa, con enfasi particolare alle applicazioni più rilevanti che si incontrano nell'ingegneria chimica.

 
Knowledge

This is the first course where students learn how to tackle problems related to the transport of mass, energy and momentum. Its fundamental feature is to present a unifying and coherent formulation, that is valid for all types of transport phenomena. Here, mass, energy and momentum fluxes are expressed as the sum of a convective and a diffusive component, where the latter is modeled as the random motion of a tracer (i.e., of mass, energy and momentum). At the end, this general theory is applied to model the motion of fluids and the transport of heat and mass, with particular emphasis on the most relevant applications that are encountered in process engineering.

 
Modalità di verifica delle conoscenze
  • Alla fine del I modulo è previsto un esame scritto ed uno orale, della durata di 1 ora, in cui lo studente deve dimostrare di saper impostare e risolvere problemi relativi al moto dei fluidi e al trasporto di quantità di moto.
  • Alla fine del II modulo è previsto un esame orale complessivo, della durata di 1 ora, in cui lo studente deve dimostrare di conoscere i principi che regolano tutti i fenomeni di trasporto e di saperli applicare alla risoluzione di problemi rilevanti all'ingegneria chimica.

 
Assessment criteria of knowledge
  • At the end of the I part of the course there will be an individual written and oral exam, lasting 1 hour, where students must demonstrate their ability to set up and solve problems related to fluid mechanics and momentum transport. 
  • At the end of the II part of course there will be an overall individual oral exam, lasting about 1 hour, where students must demonstrate to master transport phenomena principles and be able to apply them and solve relevant problems of process engineering.

 
Capacità

Al termine del corso lo studente saprà affrontare problemi relati al trasporto di massa, energia e quantità di moto applicati all'industria e ai processi chimici. In particolare, avrà acquisito la conoscenza dei modelli fisici dei fenomeni di trasporto, delle equazioni che li governano e delle loro soluzioni analitiche.

 
Skills

At the end of the course the student will be able to tackle problems related to the transport of mass, energy and momentum, with specific applications to the Process Industry. He or she will acquire knowledge of simple physical models of transport phenomena, of the basic equations which allow the closure of these models and of the analytical methods which can be adopted for their solution.
Modalità di verifica delle capacità
  • Alla fine del I modulo è previsto un esame scritto e uno orale, in cui lo studente deve dimostrare di saper impostare e risolvere problemi relativi al moto dei fluidi e al trasporto di quantità di moto. 
  • Alla fine del II modulo è previsto un esame orale complessivo, in cui lo studente deve dimostrare di conoscere i principi che regolano tutti i fenomeni di trasporto e di saperli applicare alla risoluzione di problemi rilevanti all'ingegneria chimica.
Assessment criteria of skills
  • At the end of the I part of the course, academic progress will be assessed through a written and an oral exam, where students must demonstrate their ability to set up and solve problems related to fluid mechanics and momentum transport. 
  • At the end of the II part of course there will be an oral overall exam, where students must demonstrate to master transport phenomena principles and be able to apply them and solve relevant problems of process engineering.
Comportamenti

Lo studente potrà acquisire la capacità di impostare un problema complesso, risolvendolo a partire dai suoi fondamenti teorici.

 
Behaviors

The student will acquire the ability to set complex problems correctly, soilving them starting from their theoretical foundations.

 
Modalità di verifica dei comportamenti

Durante le esercitazioni gli studenti verranno stimolati a suggerire modi alternativi per risolvere problemi concreti.

 
Assessment criteria of behaviors

During the exercise sections, students will be invited to suggest alternative ways to solve practical problems.

 
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Per seguire il corso in modo proficuo lo studente deve possedere conoscenze di base dell'analisi matematica (derivate e integrali, equazioni differenziali ordinarie. equazioni differenziali alle derivate parziali) , algebra lineare (vettori e tensori, teorema della divergenza) e di termodinamica (prima e seconda legge, proprietà volumetriche e calorimetiche, potenziale chimico).

Propeduticità obbligatorie: Analisi Matematica I e II, Algebra Lineare, Termodinamica dell'Ingegneria Chimica.

 
Prerequisites

In order to follow the course successfully the student should master notions of calculus (differentiation and integration, ordinary differential equations, partial differential equations), linear algebra (vector and tensors, divergence theorem) and thermodynamics (first and second laws, volumetric and calorimetric properties, chemical potential). 

 
Indicazioni metodologiche
  • Modo in cui si svolgono le lezioni e le esercitazioni: lezioni on line e in presenza. La frequenza è altamente consigliata.
  • Tipo di interazione docente-studente: ricevimenti settimanali, comunicazioni via e-mail.
  • Uso del sito e-learning: scaricamento materiale didattico, comunicazioni studenti-docenti, pubblicazione di esercizi risolti in preparazione all'esame.
Teaching methods
  • Delivery: on line and face-to-face. Attendance is strongly adviced.
  • Instructor-student interaction: one-to-one meetings on a weekly base, e-mail.
  • Use of the e-learning site: download of teaching materials, student-instructor communication, publication of solved problems as preparation or the exam.

 
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Principi di Ingegneria Chimica, Parte I

  1. Introduzione alla meccanica dei fluidi Densità, sforzi, visosità.
  2. Statica dei fluidi. Equilibrio idrostatico, manometri.
  3. Bilanci macroscopici. Bilancio di massa. Bilancio di energia, Equazione di Bernoulli. Bilancio di quantità di moto.
  4. Flussi nei tubi. Perdite di carico distribuite. Perdite di carico localizzate.
  5. Flusso laminare. Flusso di Poiseuille e di Couette.
  6. Bilanci microscopici. Equazione di continuità. Equazione di Cauchy e di Navier-Stokes.
  7. Flussi unidirezionali. Flussi in tubi e in canali. Esempi. Moti quasi unidirezionali.
  8. Flussi quasi stazionari.
  9. Moto in letti granulari.

Principi di Ingegneria Chimica, Parte II

  1. Concetto del trasporto di massa, energia e quantità di moto. Convezione e diffusione. Random walk: i fondamenti microscopici della diffusione. Equazioni costitutive; viscosità, conducibilità termica e diffusività. (Cap. 0( (5 ore)
  2. Aspetti generali della fluidodinamica e strato limite laminare. Strato limite e resistenza viscosa. Distacco dello strato limite. Vortici di von Karman. (cap. 2.1-2.3, 7.1, 7.3) (5 ore)
  3. Conduzione del calore con e senza generazione. Geometria piana, cilindrica e sferica. Il numero di Biot. Il solido composto. Conduzione con reazione chimica. Approssimazione di quasi stazionarietà. (Cap. 8, 9.1) (5 ore)
  4. Bilanci macroscopici di energia. Il coefficiente di scambio termico. Gli scambiatori di calore. Alettature di raffreddamento (Cap. 10) (5 ore)
  5. Conduzione variabile nel tempo. Equazione del trasporto di calore. Trasporto di calore in un mezzo semi-infinito. Trasporto di calore in un solido finito. (Cap. 11.1-11.4) (5 ore)
  6. Trasporto di calore convettivo. Analisi dimensionale. Strato limite termico. Analogia di Colburn-Chilton. (Cap. 12) (5 ore)
  7. Introduzione al trasporto di specie chimiche. Flussi molari e massici. Le equazioni costitutive. Diffusione in un film stagnante. (Cap. 13) (5 ore)
  8. Trasporto di massa stazionario. Diffusione con reazione chimica eterogenea. Diffusione con reazione chimica omogenea. Il numero di Damkohler. Il fronte di reazione. Approssimazione di quasi stazionarietà. (Cap. 13) (5 ore)
  9. Trasporto di massa non stazionario. Trasporto attraverso una membrana. Evaporazione di un liquido da un serbatoio. Evaporazione di una particella. (Cap. 15.1–15.3) (2 ore)
  10. Trasporto di massa convettivo. Strato limite molare. Approssimazione di quasi stazionarietà. (Cap. 16.2, 16.4) (3 ore)
  11. Fenomeni di trasporto in un flusso turbolento. Scaling di Kolmogorov. Equazioni mediate nel tempo, flussi turbolenti, diffusività turbolente. Mixing length. Profilo logaritmico di velocità alla parete. (Cap. 17) (5 ore)
  12. L’irraggiamento. Legge di Stefan-Boltzmann. Emissione e assorbimento, legge di Kirchoff. Il fattore di vista. (Cap. 19.1, 19.2) (3 ore)
  13. Cenni sulla convezione naturale. Analisi dimensionale. Numero di Grashof. Strato limite nella convezione naturale. (Cap. 18.3, 18.4) (2 ore)
  14. Scambio termico con transizioni di fase. Pool boiling, flow boiling. (Cap. 18.6) (2 ore)
  15. Antidiffusione. Gradienti di potenziale chimico in miscele binarie liquide non ideali. (Cap. 20) (3 ore)
Syllabus

Transport phenomena, Part I

  1. Introduction to fluid mechanics. Density, stresses, viscosity.
  2. Statics of fluids. Hydrostatic equilibrium, manometers.
  3. Macroscopic balances. Mass balance. Energy balance, Bernoulli equation. Momentum balance.
  4. Pipe flow. Distributer pressure drops. Localized pressure drops.
  5. Laminar flow. Poiseuille and Couette flow. Capillary flows.
  6. Microscopic balances. Continuity equation. Cauchy equation and Navier-Stokes equations.
  7. Unidirectional flows. Flows in pipes and channels. Examples.

Transport phenomena, Part II

  1. Fundamentals of the transport of mass, momentum and energy. Convection and diffusion. Random walk: the microscopic nature of diffusion. Constitutive equations; viscosity, thermal conductivity and molecular diffusivity. ( 0) (5 h)
  2. General features of fluid mechanics and laminar boundary layer. Scaling. Boundary layer and viscous resistance. Flow separation. Von Karman vortices. (Ch. 2.1-2.3, 7.1, 7.3) (5 h)
  3. Heat conduction without and with heat sources. Plane, cylindrical and spherical geometries. Biot number. The composite solid. Quasi steady state approximation (Ch. 8, 9.1) (5 h)
  4. Macroscopic energy balance. The heat transfer coefficient. Heat exchangers. Heat exchanging fins. (Ch. 10) (5 h)
  5. Time dependent heat conduction. Heat balance equation. Heat conduction in a semi-infinite slab. Heat conduction in a finite slab. (Ch. 11.1-11.4) (5 h)
  6. Convective heat transport. Scaling of the problem. Laminar thermal boundary layer. Colburn-Chilton analogy. (Ch. 12) (5 h)
  7. Transport of chemical species. Molar and mass fluxes and velocities. Constitutive equations. Di9ffusion through a stagnant film. (Ch. 13) (5 h)
  8. Stationary material transport. Diffusion with heterogeneous chemical reactions. Diffusion with homogeneous chemical reactions. The Damkohler number. The reaction front. Quasi steady state approximation. (Ch. 13) (5 h)
  9. Non-stationary material transport. Transport across a membrane. Evaporation of a liquid from a reservoir. Evaporation of a particle. (Ch. 15.1–15.3) (2 h)
  10. Convective material transport. Material bounday layer. Strato limite molare. Quasi steady state approximation. (Ch. 16.2, 16.4) (3 h)
  11. Transport phenomena in turbulent flows. Kolmogorov’s scaling. Reynolds-averaged equations, turbulent fluxes, turbulent diffusivities. Mixing length. Logarithmic velocity profile at the wall. (Ch. 17) (5 h)
  12. Radiant heat transfer. Stefan-Boltsmann’s law. Emissivity and absorbance, Kirchoff’s law. The view factor. (Ch. 19.1, 19.2) (3 h)
  13. Natural convection. Scaling of the problem. Grashof ‘s number. Boundary layers in natural convection.  (Ch. 18.3, 18.4) (2 h)
  14. Heat transfer with phase transitions. Pool boiling, flow boiling. (Ch. 18.6) (2 h)
  15. The antidiffusion. Chemical potential gradients in non-ideal liquid binary mixtures. (Ch. 20) (3 h)

 
Bibliografia e materiale didattico

Libri di testo:

  • R. Mauri, "Fenomeni di Trasporto", 2011, Pisa University Press.(*)
  • R.B. Bird, W.E. Steward, E.N. Lightfoot, "Transport Phenomena" 1960, Wiley.

 (*) in inglese: R. Mauri, "Transport Phenomena in Multiphase Flows", Springer (2015)
Bibliography

Textbook:

  • R. Mauri, "Fenomeni di Trasporto", 2011, Pisa University Press.(*)

Other reference book:

  • R.B. Bird, W.E. Steward, E.N. Lightfoot, "Transport Phenomena" 1960, Wiley.

 (*) In English: R. Mauri, "Transport Phenomena in Multiphase Flows", Springer (2015)
Indicazioni per non frequentanti

Lo studente non frequentante può seguire il progredire del corso consultando il registro elettronico e studiando sul libro di testo.
Non-attending students info

Non-attending students can follow the progress of the course by consulting the electronic register and studying on the textbook.
Modalità d'esame
  • Alla fine del I modulo è previsto un esame scritto e uno orale, in cui lo studente deve dimostrare di saper impostare e risolvere problemi relativi al moto dei fluidi e al trasporto di quantità di moto.
  • Alla fine del II modulo è previsto un esame orale complessivo, in cui lo studente deve dimostrare di conoscere i principi che regolano tutti i fenomeni di trasporto e di saperli applicare alla risoluzione di problemi rilevanti all'ingegneria di processo.

Altre informazioni: Le due prove orali alla fine del I e del II modulo durano 1 ora e prevedono anche lo svolgimento, almeno impostato, di uno o due esercizi.
Assessment methods
  • At the end of the I part of course there will be an individual oral and written exam, lasting 1 hour, where students must demonstrate their ability to set up and solve problems related to fluid mechanics and momentum transport. 
  • At the end of the II part of course there will be an overall individual oral exam, lasting about 1 hour, where students must demonstrate to master transport phenomena principles and be able to apply them and solve relevant problems of process engineering.

Other information: The two oral exams at the end of the I and II part of the course last about 1 hour and include the solution of one or two problems.

 
Altri riferimenti web

Registro elettronico:

https://unimap.unipi.it/registri/registri.php?ri=009185&tmplt=principale.tpl&aa=2017
Additional web pages

Electronic register:

https://unimap.unipi.it/registri/registri.php?ri=009185&tmplt=principale.tpl&aa=2017
Updated: 29/07/2022 12:31