ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| CHIMICA INDUSTRIALE I | ING-IND/27 | LEZIONI | 90 |
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Al termine del corso:
-lo studente avrà acquisito i fondamenti termodinamici delle separazioni di miscele a più componenti basate sui processi di distillazione, estrazione, cristallizzazione, adsorbimento e scambio ionico.
- lo studente avrà acquisito i fondamenti cinetici dei processi di cristallizzazione
- lo studente avrà acquisito i fondamenti dell'analisi termodinamica dei processi chimici
- lo studente avrà acquisito i fondamenti termodinamici e cinetici dei processi elettrochimici industriali
At the end of the course:
-the student will have acquired the thermodynamic foundations of the separation of mixtures with several components based on the processes of distillation, extraction, crystallization, adsorption and ion exchange.
- the student will have acquired the kinetic foundations of the crystallization processes
- the student will have acquired the fundamentals of the thermodynamic analysis of chemical processes
- the student will have acquired the thermodynamic and kinetic foundations of industrial electrochemical processes
La verifica delle conoscenze sarà condotta mediante valutazione dei test in itinere previsti durante il corso.
The assessment of the knowledge will be carried out by evaluating the written test planned at the beginning of each exam session together with the evaluation of the subsequent interview.
Al termine del corso:
-lo studente saprà calcolare, per processi continui stazionari, la potenza utile minima/massima necessaria/erogabile e le sezioni su cui intervenire per incrementare il rendimento energetico
- lo studente saprà utilizzare i diagrammi di fase liquido/vapore, solido/liquido, gas/solido, liquido/liquido per sistemi a più componenti per le valutazioni termodinamiche e per i bilanci di materia necessari per la progettazine dei processi
- lo studente conoscerà le proprietà fondamentali dei solidi granulari e le modalità di controllo dei parametri operativi per ottenere solidi granulari aventi proprietà ottimali da processi di cristallizzazione
- lo studente saprà calcolare la tensione e l'amperaggio industriale dei processi di elettrolisi e conoscerà i fattori che ne governano il regime ottimale di funzionamento.
At the end of the course:
- the student will be able to calculate, for steady continuous processes, the minimum / maximum useful power necessary /generated and the sections on which to intervene to increase the energy efficiency
- the student will be able to use the diagrams of liquid / vapor phase, solid / liquid, gas / solid, liquid / liquid for multi-component systems for thermodynamic evaluations and for material balances necessary for the design of processes
- the student will know the fundamental properties of the granular solids and the methods of control of the operating parameters to obtain granular solids having optimal properties from crystallization processes
- lo studente saprà come calcolare la tensione e l'amperaggio industriale dei processi di elettrolisi e conoscerà i fattori che regolano il regime operativo ottimale.
Durante lo svolgimento delle lezioni saranno affidate agli studenti, divisi in gruppi, attività pratiche di applicazione degli strumenti forniti a casi industriali.
During the lessons will be entrusted to the students, divided into groups, practical activities of application of the tools provided to industrial cases.
Lo studente potrà acquisire la consapevolezza della necessità di una accurata analisi termodinamica per la verifica della fattibilità industriale di un processo di separazione e comprendere come si traducono in campo industriale le nozioni di elettrochimica di base acquisite al primo anno.
The student will be aware of the need for an accurate thermodynamic analysis for the verification of the industrial feasibility of a separation process and to understand how the notions of basic electrochemistry acquired in the first year are translated into the industrial field.
In seguito alle attività pratiche di gruppo saranno richieste agli studenti delle brevi relazioni concernenti i casi trattati.
Following the practical group activities students will be asked to provide short reports on the cases treated
Variabili intensive ed estensive, equilibri di fase, regola della varianza, equilibri in soluzione acquosa (solubilità, equilibri acido-base), potenziali di riduzione, principio di funzionamento di celle galvaniche/celle di elettrolisi e calcolo della fem/tensione di celle galvaniche/ elettrolisi a corrente nulla, calcolo di entalpia/entropia/energia libera di correnti materiali (sostanze pure e miscele) allo stato aeriforme, liquido e solido al variare dei parametri intensivi.
Intensive and extensive variables, phase equilibria, variance rule, equilibrium in aqueous solution (solubility, acid-base equilibrium), reduction potentials, working principle of galvanic cells / electrolysis cells and calculation of the fem / voltage of galvanic cells / zero current electrolysis, calculation of enthalpy / entropy / free energy of material currents (pure substances and mixtures) in gaseous, liquid and solid state.
Le lezioni, stante l'emergenza sanitaria COVID-19, verranno erogate a distanza su piattaforma TEAMS utilizzando materiale didattico fornito dal docente sotto forma di dispense.L'interazione con lo studente avviene anche al di fuori della lezione mediante ricevimenti settimanali e posta elettronica Il ricevimento settimanale del docente è concordato all'inizio del corso in base all'orario delle lezioni.
The lessons are traditional frontal type; the exercises take place in the classroom generally forming groups. The teaching material is provided by the teacher in the form of handouts. The interaction with the student also takes place outside the class by means of weekly receptions and e-mails The weekly reception of the teacher is agreed at the beginning of the course according to the lesson time .
Attraverso alcuni processi industriali di riferimento (processo Solvay, produzione di cloro-alcali) si verificherà come gli aspetti fondamentali sotto riportati trovino applicazione priatica su scala industriale.
Gli equilibri di fase: regola della varianza (richiamo); calcolo dei componenti indipendenti in sistemi solido/liquido nel caso specifico di acqua e soluti ionici.
Equilibrio solido/liquido: diagrammi di fase di sistemi a due, tre e quattro componenti; diagrammi triangolari e a base quadrata, proiezioni di Janecke, regola della leva, cammini di cristallizzazione e bilanci di materia. Fondamenti cinetici del processo di cristallizzazione: sovrasaturazione, regioni di metastabilità e labilità delle soluzioni; meccanismi e cinetiche di nucleazione e accrescimento. Granulometria, abito, tap e bulk density, numero di Hausner dei cristalli. Fenomeni di impaccamento. Processi di cristallizzazione per raffreddamento, evaporazione solvente, aggiunta di antisolvente.
Equilibri liquido-vapore: diagrammi di fase per sistemi a due componenti (regolari, azeotropi omogenei ed eterogenei); principio di funzionamento di una colonna di distillazione. Bilanci di materia su una colonna di distillazione di una miscela a due componenti: retta di lavoro superiore e inferiore. Bilancio sul piatto di alimentazione: q-line. Range operativo di una colonna di distillazione: rapporto di riflusso e di ribollizione massimo e minimo. Cammino di distillazione a riflusso e ribollizione totali (somma delle tie lines). Diagrammi di fase liquido-vapore a tre componenti: cammini di distillazione a rflusso/ribollizione totale e curve dei residui; fattibilità di una separazione per distillazione in base alla mappatura dei cammini di distillazione/curve dei residui: regioni di distillazione. Distillazioni miscele a tre componenti: individuazione grafica dei campi operativi sezioni di rettifica e stripping: curva dei pinch, aree (leaf) di lavoro. Esempi di strategie di separazione per distillazione: azeotropi binari eterogenei, azeotropi binari omogenei (due colonne a pressione diversa, aggiunta di un solvente con formazione di azeotropi binari o ternari).
Equilibri di fase liquido-liquido. Diagrammi ternari. Processo di separazione per estrazione con solvente. Bilanci di materia su un processo di estrazione a singolo stadio di contatto/smiscelamento.
Equilibri gas-solido: adsorbimento; adsorbenti industriali e isoterme di adsorbimento. Equilibri di scambio ionico: resine scambio ionico acide e basiche. Condizioni termodinamiche per lo scambio.
Analisi termodinamica dei processi; processo reale continuo stazionario: bilancio energetico ed entropico, espressione della potenza utile, processo ideale di riferimento, potenza in eccesso e potenza persa. Exergia e bilancio exergetico, espressione della potenza utile in termini exergetici, tasso di variazione dell'energia libera di un processo. Significato dei contributi del bilancio exergetico in termini di potenza. Processi ideali di riferimento: modalità di abbattimento delle irreversibilità e localizzazione delle potenze utili. Reazioni di accoppiamento, strategia Solvay.
Processi di liquefazione dei gas. Liquefazione dei gas con Tcritica superiore alla Tambiente: esempio dell'ammoniaca. Potenza utile minima, processo reale. Liquefazione dell'aria. Potenza utile minima. Processo Linde semplice e modifiche per minimizzare la potenza utile.
Elettrochimica industriale: richiami di elettrochimica generale (potenziali standard di riduzione, elettrodo standard a idrogeno, voltaggio minimo di elettrolisi, amperaggio). Sovratensione e suo andamento con l'intensità di corrente; densità di corrente di scambio, regime di Tafel, densità di corrente limite. Cadute ohmiche. Voltaggio di cella, rendimento faradico, voltaico ed energetico, diagrammi potenziale-densità di corrente in presenza di reazioni secondarie. Impianto di conversione e sua regolazione.
Phase equilibria: rule of variance (recall); calculation of the independent components in solid / liquid systems in the specific case of water and ionic solutes.
Solid / liquid equilibrium: phase diagrams of two, three and four component systems; triangular and square-based diagrams, Janecke projections, lever rule, crystallization paths and matter balances. Kinetic foundations of the crystallization process: over-saturation, metastability regions and solution lability; mechanisms and kinetics of nucleation and growth. Granulometry, dress, tap and bulk density, Hausner number of crystals. Packing phenomena. Crystallization processes by cooling, solvent evaporation, addition of anti-solvent.
Liquid-vapor equilibria: phase diagrams for two-component systems (regular, homogeneous and heterogeneous azeotropes); operating principle of a distillation column. Balance of matter on a distillation column of a two-component mixture: top and bottom line of work. Budget on the feed plate: q-line. Operating range of a distillation column: maximum and minimum reflux and boiling ratio. Total reflux and bubbling distillation path (sum of the tie lines). Three-component liquid-vapor phase diagrams: total flow / bubbling distillation paths and residue curves; feasibility of a distillation separation based on the mapping of distillation paths / residue curves: distillation regions. Distillations of three-component mixtures: graphic identification of the operating fields, grinding and stripping sections: pinch curve, working areas (leaf). Examples of distillation separation strategies: heterogeneous binary azeotropes, homogeneous binary azeotropes (two columns with different pressure, addition of a solvent with formation of binary or ternary azeotropes).
Liquid-liquid phase equilibria. Ternary diagrams. Separation process by solvent extraction. Material balances on a single-stage contact / demixing process.
Gas-solid equilibria: adsorption; industrial adsorbents and adsorption isotherms. Ionic exchange equilibria: acidic and basic ion exchange resins. Thermodynamic conditions for exchange.
Thermodynamic analysis of processes; stationary continuous real process: energetic and entropic balance, expression of useful power, ideal reference process, excess power and lost power. Exergy and exergetic balance, expression of useful power in exergetic terms, rate of variation of the free energy of a process. Meaning of the contributions of the exergetic budget in terms of power. Ideal reference processes: ways to eliminate irreversibility and locate useful powers. Coupling reactions, Solvay strategy.
Gas liquefaction processes. Liquefaction of gases with Tcritica superior to the environment: example of ammonia. Minimum useful power, real process. Air liquefaction. Minimum useful power. Simple Linde process and modifications to minimize useful power.
Industrial electrochemistry: recalls of general electrochemistry (potential reduction standards, standard hydrogen electrode, minimum electrolysis voltage, amperage). Overvoltage and its trend with the intensity of current; exchange current density, Tafel regime, limit current density. Ohmic falls. Cell voltage, faradic, voltaic and energetic efficiency, potential-current density diagrams in the presence of secondary reactions. Conversion plant and its regulation.
Il materiale didattico è fornito dal docente sotto forma di dispense dispnibii sul portale e-learning.
The teaching material is provided by the teacher in the form of handouts available on the e-learning portal.
Non sussistono variazioni per i non frequentanti
There are no variations for non-attending students
Stante l'emergenza sanitaria COVID-19 la prova di esame è rimodulata con l'attivazione di cinque prove in itinere.
Le prove in itinere consisteranno in test a risposta chiusa da risolvere a distanza (10 quesiti per ciascun test). Ciascun test è superato con lo svolgimento pienamente corretto di almeno 6 quesiti; per l'acquisizione dei CFU occorre aver superato 4 dei 5 test e risposto correttamente ad almeno 30 dei 50 quesiti.
Resta sempre possibile sostenere l'esame nelle prove di appello ordinarie secondo le modalità ordinarie (prova scritta e prova orale, sostituite da una prova orale per tutto il perdurare dell'emergenza sanitaria).
1194/5000
The exam consists of a written test and an oral exam.
The written test consists of several exercises / problems (typically five) to be solved in the traditional classroom (duration of 3 hours); once passed the test it remains valid for the appeals of the same session. The written test is passed with the correct completion of at least three exercises and allows access to the oral test which consists of an interview between the candidate and the teacher, lasting about 30 minutes, in which it will be required to relate parts of the program and concepts to be used in an integrated way also using process diagrams / phase diagrams / correlation diagrams between process variables / balance equations and kinetics. The oral exam is not over if the candidate shows that he / she is not able to express himself clearly, to use the correct terminology / diagrams / equations and if the candidate repeatedly shows the inability to relate parts of the program and notions which must be used jointly to answer a question correctly. Failure to pass the oral exam requires having to take the written test again.
