Chimica Industriale e Laboratorio

Università degli Studi di Cagliari
Corso di Laurea triennale in Chimica
CFU
Chimica Industriale e Laboratorio
12
Docenti
Italo Ferino ( modulo I ) SSD
Roberto Monaci ( modulo II )
CHIM/04
Tel.
+39 070 675 4383 /4386
Fax.
+39 070 675 4388
E-mail
[email protected]
[email protected]
Orario di ricevimento
Lunedì-Venerdì, previo appuntamento (tel. o e-mail);
;
Martedì 10-12; Venerdì 15-17
Obiettivi Formativi:
Conoscenze: Mostrare quali informazioni sono contenute nell’equazione
cinetica. Mostrare che l’influenza di temperature e concentrazioni
macroscopicamente riassunta nell’equazione di velocità è in realtà il risultato
di eventi microscopici spesso numerosi e complessi (meccanismo di
reazione), la cui conoscenza ha importanti conseguenze dal punto
applicativo (gestione o innovazione dei processi industriali).
Mostrare che per la gestione di un processo chimico la legge cinetica va
inserita all’interno dell’equazione di comportamento dell’apparecchiatura di
reazione (reattore) utilizzato. Descrivere con un certo dettaglio due classi di
reazioni di estrema importanza nel campo delle applicazioni industriali: le
reazioni catalitiche eterogenee e le reazioni enzimatiche. Presentare i reattori
industriali nei loro tipi fondamentali, illustrandone vantaggi e svantaggi.
Mostrare come si possa prevedere e governare la crescita della biomassa e la
trasformazione del substrato nei fermentatori discontinui e continui (in
particolare quelli continui per il trattamento di reflui). Mostrare come si
possano prevedere e governare la variazione della temperatura e la
formazione dei prodotti in reattori catalitici a letto fisso. Mostrare come un
processo possa essere governato in modo autotermico sfruttando il calore
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generato dalla reazione. Accennare ai rischi di instabilità del funzionamento
autotermico del reattore.
Introdurre le definizioni e le classificazioni della chimica industriale e
dell’industria chimica.
Analizzare
le
principali
classi
di
prodotti
dell’industria
chimica,
sottolineandone l’importanza con riferimento al loro uso diffuso e
quotidiano.
Analizzare il ruolo tuttora fondamentale dei combustibili fossili come fonti
energetiche e di materie prime dell’industria chimica; affrontare la
problematica riguardante la ricerca di nuove fonti rinnovabili di energia e
materie prime.
Analizzare i più importanti processi di produzione del gas di sintesi,
sottolineandone il ruolo chiave come intermedio per gran parte delle
produzioni chimiche, sia organiche che inorganiche.
Approfondire il processo di produzione del metanolo, analizzandone
l’importanza come intermedio nell’industria chimica organica.
Approfondire il processo di produzione dell’ammoniaca, analizzandone
l’importanza come intermedio nell’industria chimica inorganica.
Capacità: Discutere le problematiche legate all’uso dei reattori chimici.
Progettare schematicamente una possibile sequenza di processi per la
produzione industriale di un dato prodotto chimico a partire dalle materie
prime. Effettuare il bilancio di materia e di energia di processi semplici,
risolvere problemi elementari di scambio termico e separazione.
Comportamenti: Partecipazione interattiva con il docente durante il corso.
Stimolare il lavoro sia di gruppo sia autonomo.
Conoscenze richieste:
Concetti introdotti nei corsi del primo e secondo anno della laurea triennale
in Chimica.
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Programma:
Modulo I Chimica Industrale
Condizione di equilibrio termodinamico per i sistemi chimici reagenti. Dipendenza della costante di
equilibrio dalla temperatura (equazione di Vant’Hoff) e dalla pressione. Grado di avanzamento di una
reazione. Definizione di velocità di reazione. Forme più usuali dell’equazione cinetica. Reazioni
cineticamente reversibili. Dipendenza della velocità dalla temperatura (equazione di Arrhenius). Energie
di attivazione ed entalpia di reazione. La velocità in funzione del grado di avanzamento e la temperatura
per una reazione del primo ordine irreversibile, reversibile endotermica, reversibile esotermica. Reazioni
di secondo ordine irreversibili e reversibili. Reazioni di ordine variabile. Reazioni simultanee (parallele e
consecutive). Reazioni radicaliche. Ipotesi dello stato stazionario e dello stadio determinante.
Apparecchiature di reazione discontinue e continue. Equazione di comportamento per i reattori PFR,
PFR disperso e CSTR. Tempo di residenza e tempo spaziale. Due classi di reazioni di considerevole
importanza industriale: le reazioni catalitiche eterogenee e le reazioni enzimatiche. Modelli per la
descrizione delle reazioni catalitiche eterogenee. Effetto combinato di processi fisici (trasporto di
massa, diffusione interna) e processi chimici superficiali (adsorbimento/desorbimento di reagenti e
prodotti e reazione chimica superficiale). Natura degli enzimi. Fonti per la produzione degli enzimi.
Modelli per la descrizione delle reazioni enzimatiche. Effetto di inibitori. Aspetti stechiometrici di
processi industriali basati sull’impiego di microrganismi. Resa in biomassa e resa in prodotto. Fasi di
crescita di colture microbiche. Legge di Malthus. Equazione logistica. Legge di Monod.
Reattori biologici. Breve descrizione delle applicazioni e dei requisiti. Configurazioni dei reattori
biologici. Reattori batch con enzimi liberi. Crescita microbica ed evoluzione del substrato in reattore
batch. Crescita microbica in continuo. Fermentatore CSTR.
Reattori tubolari impaccati per reazioni gas/solido (catalitici). Condizioni isoterme: bilancio materiale,
lunghezza del reattore e massa di catalizzatore. Condizioni adiabatiche: bilancio materiale e bilancio
entalpico. Condizioni non-isoterme/non-adiabatiche.Comportamento autotermico e stabilità.
Gas di sintesi: produzione da combustibili fossili e biomasse; impieghi. Metanolo:produzione e
impieghi. Ammoniaca: produzione e impieghi.
Modulo II Laboratorio di Chimica Industrale
Definizione di conversione,selettività e resa di un processo industriale. Attività e selettività di un
catalizzatore. Catalisi omogenea. Catalisi eterogenea. Adsorbimento fisico e chemiadsorbimento.
Classificazione dei catalizzatori. Catalizzatori acidi solidi. Rappresentazione del flusso di materia in un
processo industriale. Calcoli stechiometrici e di bilanci di materia in sistemi semplici. L’equazione del
bilancio di energia. Trasferimento di calore : calore e temperatura. Trasferimento di calore per
conduzione. Flusso di calore stazionario. Resistenze in serie al flusso di calore. Trasferimento di calore
per convezione. Scambiatori di calore. Processi di separazione Equilibrio di separazione. Il fattore di
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separazione e la sua relazione con le proprietà molecolari. Selezione dei processi di separazione.
Distillazione : colonne di rettifica, rapporto di riflusso, determinazione del numero di piatti di una
colonna. Esercitazioni numeriche.
Esercitazioni di laboratorio : Gas-cromatografia. Separazione degli isomeri xilenici mediante
cristallizzazione frazionata e distillazione. Determinazione acidità di un catalizzatore solido con il
metodo di Benesi; Studio di una reazione catalitica in fase liquida
Reazioni di polimerizzazione.Sintesi di un tensioattivo e sua caratterizzazione;
Testi consigliati:
Modulo I
P.W. Atkins, Elementi di chimica fisica, Zanichelli.
O. Levenspiel, Ingegneria delle reazioni chimiche, Ambrosiana.
Coulson & Richardson’s Chemical Engineering, vol. 3 (J.F. Richardson and D.G. Peacock, eds.), Pergamon.
I. Pasquon, G.F. Pregaglia, Principi della Chimica Industriale. 5. Prodotti e processi dell’industria chimica,
CittàStudi Edizioni
K. Weissermel, H.-J. Arpe, Industrial Organic Chemistry, Verlag Chemie
K.H. Büchel, H.-H Moretto, P. Woditsch, Industrial Inorganic Chemistry, Wiley-VCH
C.A. Clausen, G. Mattson, Principles of Industrial Chemistry, John Wiley and Sons
V. Petrone, L’industria chimica, Siderea
A. Girelli, L. Matteoli, F. Parisi, Trattato di Chimica Industriale e Applicata, Zanichelli
Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, VCH
Modulo II
Clausen, Mattson “ Principles of Industrial Chemistry “ - John Wiley &Sons
Carrà, Morbidelli “ Chimica Fisica Applicata “ - Hoepli ( Cap. 1 e 3 )
Rigamonti
“ Chimica Industriale “ - Clut
Pasquon, Guerrieri “ Principi della Chimica Industriale “ Vol.3 - Città Studi ( Distillazione )
Cozzi, Protti, Ruaro “ Analisi Chimica. Vol.1 Cap. 17 - Zanichelli
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Modalità di verifica/esame:
Prove di verifica intermedie
X Esame scritto
X Esame orale
Prova di laboratorio
Descrizione:
L’esame consiste in una prova scritta comprendente esercizi numerici e domande a risposta aperta sugli
argomenti trattati nel modulo di laboratorio e in una prova orale vertente su tutti gli argomenti trattati
nei due moduli, sugli esercizi oggetto della prova scritta e sulle relazioni delle esercitazioni di
laboratorio. La prova scritta ha validità un anno.
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