484/98 A.A. 1998/99 UNIVERSITA` DEGLI STUDI DI TRIESTE

484/98
A.A. 1998/99
UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI TRIESTE
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CORSO DI LAUREA
INGEGNERIA CHIMICA
PROGRAMMA DEL CORSO DI
DOCENTE
PRINCIPI DI INGEGNERIA CHIMICA
Maurizio FERMEGLIA
INTRODUZIONE
Introduzione. Panoramica sui contenuti del corso. Presentazione degli strumenti di
lavoro e delle problematiche dell’ingegnere chimico. Introduzione ai calcoli specifici
dell’ingegneria chimica. Unità di misura e dimensioni, fattori di conversione.
Consistenza dimensionale. Moli ed unità di misura della concentrazione. Densità e
peso specifico. Basi di calcolo. Temperatura. Pressione. Esempi di calcolo e scelte
della base per il calcolo.
Cenni di trasmissione dati e concetti di rete locale e geografica. Descrizione degli
strumenti di calcolo facenti capo alla rete dipartimentale. Fonti di dati termofisici e di
informazioni bibliografiche: banche dati, riviste, motori di ricerca in internet.
BILANCI DI MATERIA
Tecniche generali per la soluzione di problemi ingegneristici. L’equazione chimica e
la stechiometria: reagente limitante, reagente in eccesso, conversione, selettività e
resa. Reazioni singole e parallele. Generalità sui bilanci di materia. Esempi: reattore a
letto fluidizzato, combustione. Impostazione dei bilanci in termini di speci chimiche
oppure atomiche. Analisi di un bilancio di materia: calcolo delle equazioni
indipendenti e calcolo del grado di libertà di un processo chimico. Esempi: colonna di
distillazione, fermentatore. Bilanci di materia sequenziali. Problemi di combustione e
definizione di stack gas, gas secco ed aria teorica di combustione. Esempi di bilanci di
materia per cristallizzazione, combustione, essicamento. Bilanci di materia che
coinvolgono sistemi di equazioni simultanee: miscelazione, distillazione
cristallizzazione e combustione.
Descrizione del foglio elettronico MS Excel: riferimenti assoluti, relativi, nomi di
celle, funzioni scalari e matriciali, formattazione, creazione di grafici. Utilizzo del
foglio elettronico MS Excel: operazioni su matrici, soluzioni di sistemi lineari,
soluzione di equazioni non lineari, metodo di Newton, stima di parametri ed
interpolazione di dati sperimentali. Impostazione di bilanci di materia con il foglio
elettronico.
Bilanci di materia in sottosistemi e sistemi complessi: calcolo delle equazioni
indipendenti. Applicazione a processi di combustione. Bilanci di materia per
sottosistemi reagenti e non reagenti. Ricircolo. Ricircolo in processi con reazione
chimica. Spurgo e bypass.
GAS LIQUIDI E VAPORI.
La legge dei gas ideali e sue applicazioni. Densità dei gas e volume specifico, miscele
di gas ideali. Bilanci di materia in operazioni che coinvolgono gas e vapori: esempi di
combustione e di reazione di gas di sintesi. Gas reali e concetto di equazione di stato.
Classificazione delle equazioni di stato. Equazione di van der Waals per composti
puri e per miscele. Equazioni cubiche. Equazioni del viriale (cenni) e teoria degli stati
corrispondenti. Definizione di parameteri ridotti. Uso dei diagrami generalizzati per il
calcolo della compressibilità. Liquidi e tensione di vapore. Equazione di Clausius
Clapeyron. Equazione di Antoine. Definizione di fattore acentrico. Densità di liquidi.
Regressione di dati di tensione di vapore e calcolo delle costanti di Antoine.
Saturazione ed equilibrio.
BILANCI DI ENERGIA.
Definizioni e tipi di energia in gioco. Calore e lavoro. Energia interna. Entalpia.
Concetto di funzione di stato. Calore specifico: definizione a pressione costante ed a
volume costante. Calore specifico per un gas ideale. Modelli per il calcolo del calore
specifico. Metodi di stima del calore specifico per solidi, per liquidi e per gas e
vapori. Calcolo di variazioni entalpiche senza cambiamento di fase. Uso di tabelle.
Uso delle steam table e dei diagrammi. Calcoli di variazione di entalpia per
cambiamenti di fase. Calore di fusione. Calore di vaporizzazione: metodo di Clausius
Clapeyron, di Chen, di Vetere, di Watson, di Riedl. Descrizione del processo di
cracking con vapore. Bilancio di energia in termini generali. Bilancio di energia per
sistemi chiusi. Esempi: miscelazione di composti puri in fase diversa, trasferimento di
calore da bombola da cui esce un gas. Bilancio di energia per sistemi aperti senza
reazione chimica. Esempi: compressore, pompe, riscaldatori a vapore. Processi
reversibili ed irreversibili. Efficienza nei processi chimici. Bilancio di energia
meccanica in stato stazionario (cenni). Bilanci di energia in presenza di reazioni
chimiche. Calore standard di formazione e calore di reazione. Fonti di dati di entalpia
di formazione. Calcolo dei calori di formazione dalle entalpie di formazione. Potere
calorifico superiore ed inferiore. Formula di Dulong. Metodi di calcolo del potere
calorifico per il carbone e calcolo del calore di reazione da dati di calore di
combustione. Bilanci di energia nel caso in cui i prodotti ed i reagenti si trovano a
temperatura diversa da 25 C. Calcolo del calore di reazione a temperature diverse da
25 C. Calori di reazione a P e V costante. Reazioni incomplete. Temperatura di
reazione adiabatica. Esempio di calcolo della temperatura di reazione. Calori di
soluzione e di miscelazione. Calore standard cumulativo. Calcolo del calore da
sottrarre per diluizione di acidi. Diagrammi entalpia - concentrazione (cenni).
Diagrammi psicrometrici: definizioni di umidità, calore umido, volume umido e
temperature. Temperature di bulbo secco e di bulbo umido, temperatura di saturazione
adiabatica. Essicatore a piatti: calcolo della temperature dei piatti e della quantità di
acqua essicata. Calcolo dell’entalpia di flussi di aria umida. Grafici entalpia-umidità:
descrizione ed uso. Esempi: miscelazione di due flussi di aria umida, aggiunta di
vapore o liquido ad un flusso di aria umida.
BILANCI DI MATERIA E DI ENERGIA AL CALCOLATORE
Soluzione simultanea di bilanci di materia ed energia. Analsi dei gradi di libertà in
processi in stato stazionario. Uso di codice di flowsheeting. Approccio modulare
sequenziale ed approccio orientato alle equazioni. Descrizione ed utilizzo del
simulatore di processo Aspen+ versione 10.0.
MATERIALE DIDATTICO
Testo utilizzato : David Himmelblau, Basic Principles and Calculations in Chemical
Engineering, Prentice Hall, 6th ed, 1996
Altro materiale: Slides PPT disponibili in LAN presso il DICAMP
Manuali su CDROM del simulatore Aspen+