ECTS - University of Pisa
L’obiettivo del corso, suddiviso in due moduli, è di fornire le metodologie e le conoscenze teoriche necessarie all’analisi delle operazioni unitarie di scambio termico e di materia, di fornire gli strumenti necessari alla progettazione di processo ed all'esercizio delle apparecchiature impiegate nelle operazioni di scambio termico (modulo 1- Operazioni Unitarie I), e di scambio di materia (modulo 2 - Operazioni Unitarie II).
Al termine del corso lo studente avrà acquisito conoscenze in merito a:
Identify major unit operations, including: mass transfer and heat transfer; analyse the functions of the major unit operations, including purpose and application of each; identify the range of equipment used to perform each major unit operation; size and design equipment; prepare process data sheets with equipment model.
Per entrambi i moduli lo studente verrà valutato in relazione alla sua capacità di discutere criticamente i principali contenuti del corso utilizzando la terminologia appropriata.
Metodi (per ciascun modulo):
For both modules, the student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology.
Methods (for each module):
Al termine del corso lo studente sarà in grado di:
At the end of the course the student will be able to:
• quantitatively describe heat and matter transfer processes;
• identify the equipment suitable for heat transfer and material transfer operations;
• verify and size the equipment;
• elaborate datasheet and sketch
In entrambi i moduli, allo studente è rischiesto di produrre una relazione di progetto per apparecchiature assegnate durante il corso
In both modules, the student is likely to produce a project report for equipment assigned during the course
Lo studente potrà acquisire sensibilità ai problemi di verifica e dimensionamento delle apparecchiature di scambio termico e di trasferimento di materia
The student will be able to acquire sensitivity to the problems of verification and sizing of heat exchange and material transfer equipment
Durante il modulo di Operazioni Unitarie I vengono assegnati agli studenti tre problemi di dimensionamento di apparecchiature di scambio termico. Per superare l'esame, gli studenti devono produrre una relazione di progetto che verrà valutata anche in termini di accuratezza e coerenza della presentazione.
Durante il modulo di Operazioni Unitarie II vengono assegnati agli studenti due problemi di dimensionamento di apparecchiature di trasferimento di materia e due esercizi. Per superare l'esame, gli studenti devono produrre una relazione di progetto che verrà valutata anche in termini di accuratezza e coerenza della presentazione.
During the Unit Operations I module, three problems of sizing of heat exchange equipment are assigned to the students. To pass the exam, students must produce a project report that will be evaluated also in terms of accuracy and consistency of the presentation.
During the Unit Operations II module, two problems of sizing of material transfer equipment and two exercises are assigned to the students. To pass the exam, students must produce a project report that will be evaluated also in terms of accuracy and consistency of the presentation.
L’allievo che accede a questo insegnamento ha acquisito una solida conoscenza della termodinamica, della fluidodinamica e dei fenomeni di trasporto. Tali nozioni si acquisiscono in generale superando gli esami di Termodinamica dell'Ingegneria Chimica e di Principi dell'Ingegneria Chimica.
The student who accesses this teaching has acquired a solid knowledge of thermodynamics, fluid dynamics and transport phenomena. These concepts are acquired in general by passing the Thermodynamics examinations of Chemical Engineering and Principles of Chemical Engineering.
Lezioni frontali
Esercitazioni in aula
Materiale didattico reso disponibile sulla piattaforma elearning
Delivery: face to face
Attendance: Advised
Learning activities:
Teaching methods:
Parte 1 - Operazioni unitarie I
1) Introduzione alle operazioni unitarie. Il concetto di operazione unitaria. Relazione tra studio dell'operazione unitaria e progettazione della relativa apparecchiatura di processo. Impostazione generale dei criteri di analisi delle diverse operazioni unitarie. Equazioni di bilancio e di flusso, relazioni di equilibrio.
2) Scambio termico in assenza di cambiamento di fase. Richiami sulla trasmissione del calore. Equazioni di bilancio. Equazioni di flusso e forza motrice. L'utilizzo della media logaritmica di temperatura per il calcolo della forza motrice. Il calcolo dei coefficienti di scambio termico e la dipendenza dalla geometria dell'apparecchiatura. Descrizione dei principali tipi di scambiatori di calore e criteri di scelta. Impostazione delle equazioni di bilancio e di flusso per scambiatori di calore liquido/liquido in assenza di cambiamento di fase: scambiatori a doppio tubo, a fascio tubiero, a serpentino o semitubo. Standard costruttivi degli scambiatori a fascio tubiero (norme TEMA). Calcoli di verifica e dimensionamento su scambiatori.
3) Scambio termico in presenza di cambiamento di fase. Richiami sul fenomeno della condensazione. Equazioni di bilancio. Equazioni di flusso e forza motrice. Coefficiente di scambio termico: la teoria di Nusselt. Descrizione delle principali apparecchiature per la condensazione. Impostazione delle equazioni di bilancio e di flusso per condensatori di vapori puri. Calcoli di verifica su condensatori. di vapori puri. Richiami sul fenomeno dell'evaporazione. Descrizione dei principali tipi di evaporatori e criteri di scelta.
Parte 2 - Operazioni unitarie II
1) Distillazione. Richiami di equilibri LV e diagrammi. Processi semplici di vaporizzazione e condensazione. Distillazione continua in apparecchiatura a stadi multipli. Stadio ideale e reale. Bilanci di materia e di entalpia (M.E.S.H.). Rette operative. Condizioni termiche dell'alimentazione. Stadio ottimale di alimentazione. Riflusso totale, minimo, ottimale. Alimentazioni multiple ed estrazioni laterali. Distillazione in corrente di vapore. Collegamento colonna-reboiler e principali caratteristiche. Distillazione di sistemi binari parzialmente miscibili, separatore di fase. Riflusso sottoraffreddato. Collegamento condensatore-colonna, condensatore totale e parziale. Distillazione discontinua a stadio singolo. Distillazione discontinua multistadio.
2) Colonne a piatti: tipi di piatto, caratteristiche fluidodinamiche, limiti di operabilità, criteri per il dimensionamento, efficienza del piatto, profilo termico. Particolari costruttivi e sketch di colonna a piatti. Specifica di processo di colonna a piatti. Scelta delle condizioni operative.
3) Richiami sul trasferimento di materia tra fasi. Approccio per il dimensionamento di apparecchiature a contatto continuo. Colonna a riempimento: riempimenti convenzionali ed innovativi. Caratteristiche fluidodinamiche: bagnatura, loading, perdite di carico, hold-up, flooding. Particolari costruttivi, internals (per es. distributori di gas e liquido, demisters, griglie; tipologie, funzionamento e criteri di selezione degli internals), sketch di colonne a riempimento.
4) Assorbimento e stripping. Richiami di equilibrio liquido-gas. Trasporto di materia attraverso film stagnante (coefficienti di scambio, composizione all'interfaccia, coefficiente globale di scambio) e bilanci di materia. Richiami di assorbimento chimico ed esempi. Scelta delle condizioni operative e criteri di dimensionamento di colonne a riempimento. Casi concentrato e diluito. Numero ed altezza unità di trasferimento. Specifica di processo di colonna a riempimento e relativo sketch.
5) Operazioni di umidificazione. Concetti fondamentali. Temperature di rugiada, di bulbo umido e di saturazione adiabatica. Metodi di calcolo delle torri di umidificazione e deumidificazione. Torri di raffreddamento: tipi, caratteristiche costruttive e di funzionamento.
6) Estrazione liquido-liquido. Richiami di rappresentazione di sistemi ternari e di equilibrio liquido-liquido. Scelta del solvente. Processo semplice di estrazione. Estrazione multipla a correnti incrociate. Estrazione multistadio in controcorrente. Estrazione multistadio in controcorrente, a contatto continuo in controcorrente. Caratteristiche costruttive e di funzionamento di apparecchiature per l'estrazione liquido-liquido.
7) Adsorbimento. Richiami di equilibri di adsorbimento. Operazioni di adsorbimento. Principali apparecchiature e criteri di dimensionamento.
Unit Operation I:
1) Heat transfer to fluids without phase change. Fundamentals. Energy balance and driving forces. Equipment features, selection and design criteria. 2) Heat transfer to fluids with phase change. Fundamentals of condensation and evaporation. Pool and convective boiling. Energy balance and driving forces. Equipment features, selection and design criteria.
Unit Operation II:
1) Distillation. Fundamentals on multicomponent vapor-liquid equilibria. Flash and open distillation. Continuous and batch distillation. Material and enthalpy balances. Design of sieve-plate columns. Equipment features, selection and design criteria. 2) Absorption and stripping. Principles and rate of absorption. Mass-transfer coefficients for packed columns. Equipment features, selection and design criteria. 3) Humidification operations. Wet-bulb and adiabatic saturation temperatures. Theory and calculation of humidification processes. Equipment features and sizing criteria. 4) Liquid-liquid exctraction. Liquid equilibria. Equipment features, flowsheeting. 5) Adsorption. Adsorption equilibria, operations, equipment features and design.
R.H. Perry, D.W. Green: "Perry'S Chemical Engineer' Handobook", Mc Gaw-Hill
D. Kern: "Process heat transfer", Mc Graw - Hill
R. Treybal: "Mass Transfer Operations", Mc Graw Hill
W.L. McCabe, J.C. Smith, P. Harriott: "Unit operations of chemical engineering", Mc Graw Hill
J.M. Coulson, J.F. Richardson: "Chemical Engineering", Pergamon Press (vols. 1, 2 and 6)
Altro materiale (procedure di dimensionamento, slide sul corso, esempi di datasheet e sketch) è reso disponibile agli studenti sulla piattaforma elearning
Educational material provided by the teacher on e-learning UNIPI
Recommended: D. Kern: "Process heat transfer", Mc Graw - Hill, R.E. Treybal: "Mass transfer operations", Mc Graw - Hill, R.H. Perry, D.W. Green: "Perry's Chemical Engineers' Handbook", Mc Graw-Hill
Further bibliography: W.L. McCabe, J.C. Smith, P. Harriott: "Unit operations of chemical engineering" Mc Graw-Hill J.M. Coulson, J.F. Richardson: "Chemical Engineering", Pergamon Press (vols. 1, 2 and 6)
Prova scritta e prova orale di discussione dell'elaborato progettuale, separate per ciascun modulo, con l'obbligo di superare le prove del primo modulo per poter accedere alle prove del secondo.
Written test and oral exam to discuss the design reports, separated for each module, with the obligation to pass the tests of the first module to access the tests of the second.
• The written tests, lasting 3 hours, consist in the solution of a problem of sizing of heat exchange equipment (module I) and mass transfer equipment (module II).
• Written tests will be evaluated in thirtieths and are considered passed if the vote of each is greater than 15.
• The oral tests consist in the discussion of the sizing problems of equipment assigned during the course. Sizing problems are carried out in groups of up to three students.
• The oral tests will be evaluated in thirtieths.
• The final mark of each module will be calculated as the algebraic average between the written test mark and the oral test mark.
• The final mark of the course will be evaluated as an algebraic average between the final grade of the first module and the second module
