ECTS - University of Pisa
Scheda programma d'esame
PRINCIPLES OF CHEMICAL ENGINEERING
ROBERTO MAURI
Academic year2017/18
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

Al termine del corso lo studente sara' in grado di applicare i principi di conservazione di massa, energia e quantita' di moto alla risoluzione di problemi inerenti all'industria di processo. In particolare, questi problemi verranno impostati e risolti attraverso la soluzione delle equazioni fondamentali dei fenomeni di trasporto e alla comprensione dei modelli fisici che esse descrivono.
Knowledge

The student who completes the course successfully will be able to apply the principles of heat, mass and momentum conservation to resolve problems in the process industry. In partcular, these problems will be set up and resolved through the solution of the fundamental transport equations and the deep understanding of the physical principles that they describe.
Modalità di verifica delle conoscenze

Le verifiche delle conoscenze vengono effettuate nell'esame scritto e nei due esami orali. Nell'esame scritto lo studente deve dimostrare di saper risolvere problemi di meccanica dei fluidi; nei due esami orali lo studente deve dimostrare di conoscere i principi fondamentali dei fenomeni di trasporto e di saperli applicare alla impostazione e risoluzione di semplici problemi.
Assessment criteria of knowledge

The assessment of the student's knowledge will be carried out during the written exam and the two oral exams.  In the written exam the student must demonstrate his/her capacity to set up and solve simple problems of fluid mechanics. In the oral exams the student's ability to explain correctly the main topics presented during the course will be assessed.
Capacità

Al termine del corso lo studente sara' in grado di impostare e risolvere problemi inerenti al trasporto di massa, energia e quantita' di moto.
Skills

At the end of the course the student will be able to set up and resolve problems concerning mass, momentum and energy transport.
Modalità di verifica delle capacità

Le capacita' dello studente saranno verificate nei tre esami,

  • Un esame scritto, tenuto alla fine della prima parte del corso
  • Due esami orali tenuti alla fine della prima e alla fine della seconda parte.
Assessment criteria of skills

The student skills will be assessed in three exams,

  • One written exam, to be held at the end of the first part of the course.
  • Two oral exams, to be held at the end of the first and the end of the second part of the course.
Comportamenti

In virtu' dell'approccio rigoroso del corso, saranno acquisite opportune accuratezza e precisione nella impostazione e risoluzione dei problemi di interesse per l'ingegneria chimica.
Behaviors

Due to the rigorous approach characterizing this course, students will acquire a specific accuracy and precision in setting up and solving problems of interest to chemical engineering.
Modalità di verifica dei comportamenti

Durante gli esami orali si chiedera' agli studenti di formulare e risolvere dei problemi concreti, verificando in tal modo i loro i comportamenti.
Assessment criteria of behaviors

During the oral exams students will be asked to formulate and resolve practical problems, thus assessing their behaviors.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Prerequisiti del corso sono un corso introduttivo di termodinamica e uno di calcolo differenziale.
Prerequisites

Prerequisite of the couse are an introductory corse on thermodynamics and one on differential calculus.
Indicazioni metodologiche

Le lezioni sono frontali. La frequenza ai coirsi e' altamente consigliata.

Le attivita' consistono in

  • Seguire le lezioni.
  • Svolgere gli esercizi per casa.
  • Partecipare alla discussione in classe.

Tutto il materiale didattico e le comunizazioni docente-studente di carattere generale sono disponibili sul sito di elearning. Le interazioni tra il docente e i singoli studenti vengono gestite tramite email o con ricevimenti individuali.

 

 
Teaching methods

Delivery is face to face. Class attendance is strongly advisrd.

Learning activities:

  • Attending lectures.
  • Solving homework problems.
  • Participation in discussions in class.

All the teaching material and teacher-student communications of general interest are available on the elearning site. Individual teacher-student interactions are dealt with through the use of emails or by individual meetings.

 

Delivery: face to face

 

Learning activities:

  • attending lectures

Attendance: Not mandatory

Teaching methods:

  • Lectures
Programma (contenuti dell'insegnamento)

PARTE I (Prof. V. Tricoli)

  • Aspetti molecolari e fenomenologici dei fluidi - Ipotesi del continuo.
  • Statica dei fluidi - Formula di Stevino, formula barometrica, manometri.
  • Aspetti generali della fluidodinamica - Numero di Reynolds, regimi di flusso laminare e flusso turbolento, condizioni al contorno.
  • Bilanci macroscopici - Bilancio di massa ed equazione di continuita', bilancio di energia meccanica ed equazioine di Bernoulli, bilancio di quantita' di moto.
  • Equazione di Bernoulli generalizzata - Perdite di carico distribuite e localizzate, fattoredi attrito, flusso in un tubo, flusso attorno a un oggetto sommerso.
  • Campo di velocita' e pressione - Flusso di fluidi newtoniani in un condotto, flusso di Poiseuille, flusso quasi stazionario.
  • Richiamo di calcolo vettoriale - teorema della divergenza, teorema di Stokes.
  • Equazioni fondamentali - Equazione di continuita', conservazione della quantita' di moto ed equazione di Cauchy, equazioni costitutive, equazione di Navier-Stokes.
  • Flussi unidirezionali - Flusso in un canale, viscosimetri, flussi in mezzi porosi.
  • Flussi non stazionari - Soluzione autosimile nel flusso dovuto al movimento rapido di una parete piana.

PARTE II (Prof. R. Mauri)

  • Convezione e diffusione - Natura reversibile della convezione, descrizione microscopica dei fenomeni diffusivi, dissipazione e diffusione, diffusione come esempio di random walk.
  • Strato limite laminare - Analisi dimensionale del problema e scaling, spessore dello strato limite, distacco dello strato limite.
  • Conduzione del calore - Legge di Fourier e condizioni al contorno, coefficiente di scambio termico, flusso unidirezionale di calore, solido composto, numero di Biot, numero di Nusselt.
  • Conduzione con generazione di calore - Effetti della geometria, conduzione e reazione chimica, numero di Damkohler, analisi perturbativa regolare, analisi perturbativa singolare.
  • Scambiatori di calore - scambiatori a doppio tubo, alettature di raffreddamento.
  • Conduzione non stazionaria - Equazioni del trasporto di calore, conduzione in un mezzo semi-infinito: la soluzione autosimile, approssimazione quasi stazionaria.
  • Trasporto di calore convettivo - Analisi dimensionale e scaling, numero di Peclet, numero di Prandtl, strato limite termico, analogia di Colburn-Chilton.
  • Il trasporto di massa - Convezione e diffusione, equazioni costitutive, legge di Fick, condizioni al contorno.
  • Trasporto di massa stazionario - Diffusione attraverso un film stagnante, diffusione con reazione eterogenea e omogenea, numero di Sherwood.
  • Trasporto di massa non stazionario - Condizione di quasi stazionarieta', trasporto attraverso ua membrana, evaporazione di un liquido da un serbatoio, numero di Sherwood.
  • Trasporto di massa convettivo - Analisi dimensionale e scaling, numero di Peclet massico, numero di Schmidt, strato limite massico.
  • Turbolenza - Teoria di Kolmogorov, diffusivita' turbolente, alalogia di Reynolds, mixing length, profilo logaritmico della velocita', formula di Blasius.
  • Cenni sulla convezione naturale, irraggiamento, legge di Strefan-Boltzmann, legge di Kirkhoff, fattore di vista.
Syllabus

PART I (Prof. V. Tricoli)

  • Molecular and phenomenological descriptions of fluids - Continuum assumption.
  • Statics of fluids - Stevin's law, barometric formula, manometers.
  • General aspects of fluid dynamics - Reynolds number, laminar and turbulent regimes, boundary conditions.
  • Macroscopic balances - Mass balance and continuity equation, mechanical energy balance and Bernoulli equation, momentum balance.
  • Generalized Bernoulli equation - Distributed and concentrated pressure drops, friction factor, flow in a tube, flow past a submerged object.
  • Velocity and pressure fields - Flow of Newtonian fluids in a conduit, Poiseuille flow, quasi stationary flow.
  • Elements of vectorial calculus - Divergence theorem, Stokes theorem.
  • Fundamental equations - Continuity equation, momebntum balance and Cauchy equation, constitutive equation, Navier-Stokes equation.
  • Uni-directional flows - Flow in a channel, viscosimeters, flow through porous media.
  • Non stationary flows - self-similar solution of the flow due to the sudden movement of a wall.

  PART II (Prof. R. Mauri)

  • Convection and diffusion - Reversible nature of convection, microscopic description of diffusive processes, dissipation and diffusion, diffusion as an example of random walk.
  • Laminar boundary layer - Dimensional analysis of the problem and scaling, bounady layer thickness, flow separation.
  • Heat conduction - Fourier law and boundary conditions, heat transfer coefficient, unidirectional heat flow, composite solid, Biot number, Nusselt number.
  • Conduction with heat generation - Geometry effects, conduction and chemical reaction, Damkohler number, regular and singular perturbation analysis.
  • Heat exchangers - Double tube exchangers, heat exchanging fins.
  • Non stationary heat conduction - Heat equation, conduction in a semi-infinite medium: the self-similar solution, quasi stationary approximation.
  • Convective heat transport - Dimensional analysis and scaling, Peclet number, Prandtl number, thermal boundary layer, Colburn-Chilton analogy.
  • Mass transport - Convection and diffusion, constitutive relation, Fick's law, boundary conditions.
  • Steady mass transport - Diffusion through a stagnant film, diffusion with heterogeneous and homogeneous chemical reaction, Sherwood number.
  • Unsteady mass transport - Quasi stationary approximation, mass transport across a membrane, evaporation of a liquid from a reservoir, Sherwood number.
  • Convective mass tranport - Dimensional analysis and scaling, mass Peclet number, Schmidt number, mass boundary layer.
  • Turbulence - Kolmogovov's theory, turbulent diffusion, Reynolds analogy, mixing length, logarithmic velocity profile, Blasius formula.
  • Notes on natural convection, radiant heat transport, law of Stefan-Boltzmann, law of Kirchhoff, vew factor.
Bibliografia e materiale didattico
  • Libro di testo: R. Mauri, Fenomeni di Trasporto, III ed., Plus - Pisa University Press (2015).
  • Altri testi: R.B. Bird, W.E. Stewart, E.N. Lightfoot, Transport Phenomena, II ed., Wiley (2002).

 
Bibliography
  • R. Mauri, Fenomeni di Trasporto, III ed., Plus- Pisa University Press (2015).
  • R.B. Bird, W.E. Steward, E.N. Lightfoot, Transport Phenomena, II ed., Wiley (2002).
Modalità d'esame

L'esame si divide in due parti. 

La prima parte riguarda la prima meta' del corso, tenuta dal Prof. Tricoli, e si compone di una prova scritta, seguita da una prove orale. La prova scritta, della durata di due ore, si tiene in un aula normale e consiste in una serie di domande che riguardano problemi di interesse nell'ingegneria chimica.  La prova orale, della durata di circa 30 minuti, si tiene nell'ufficio del Prof. Tricoli ed e' volta a verificare che le nozioni di meccanica dei fluidi spiegate a lezione siano state ben assimilate dallo studente. Alla fine dell'esame orale il Prof. Tricoli dara' un voto in 30imi allo studente.

La seconda parte dell'esame riguarda invece la seconda meta' del corso, tenuta dal Prof. Mauri. Si tiene nell'ufficio del Prof. Mauri e consiste in una prova orale, della durata di circa 45 minuti, durante la quale il docente verifica che lo studente e' in grado di impostare e risolvere problemi di scambio termico e massico di interesse per l'ingegneria chimica. Alla fine del II esame orale il Prof. Mauri dara' un voto in trentesimi allo studente.

Il voto finale sara' la media aritmetica dei due voti assenati allo studente alla fine del I e del II esame orale.

Il superamento dell'esame scritto e' un prerequisito all'accesso del I esame orale, e il superamento del I esame orale e' un prerequisito all'accesso al II esame orale.
Assessment methods

The exam is divided in two parts.

The first part concerns the first half of the course, taught by Prof. V. Tricoli, and consists of a written test, followed by an oral part. The written test lasts two hours, takes place in a normal classroom, and consists of a series of questions about problems that are of interest to chemical engineering.  The oral test, lasting about 30 minutes, is held in Prof. Tricoli's office and is intended to verify that the notions on fluid dynamics explained during the course have been assimilated by the student. At the end of the oral test, Prof. Tricoli will assign a grade to the student.

The second part of the exam concerns instead the second half of the course, taught by Prof. R. Mauri. It is held in Prof. Mauri's office and consists of an oral test, lasting about 45 minutes, where the instructor verifies that the student is able to set up and resolve heat and mass transfer problems that are of interest in chemical engineering. At the end of the II oral test the stdent is assigned a grade by Prof. Mauri.

The final vote is the arithmetic mean between the two grades that the students obtained at the end of the I and II oral exam.

Passing the written exam is prerequisite for the I oral exam, and passing the I oral exam is prerequisite to being admitted to the II oral exam.
Updated: 21/09/2017 14:41