29902 - PRINCIPI DI INGEGNERIA CHIMICA E BIOCHIMICA T

Conoscenze e abilità da conseguire

Fornire le conoscenze di base sui diversi meccanismi di trasmissione del calore e di trasporto di materia; fare acquisire allo studente la capacità di esaminare in termini operativi vari aspetti legati alla scelta, al dimensionamento e alla verifica delle apparecchiature di interesse. Fornire gli elementi per la corretta impostazione delle equazioni di bilancio di materia ed energia in singole apparecchiature, anche per il caso di presenza di reazioni chimiche o biochimiche, in apparecchiature a stadi e in sistemi di apparecchiature. Fornire agli studenti la capacità di utilizzare modelli fluidodinamici semplici per l’analisi, il dimensionamento di massima e il calcolo di verifica di apparecchiature di scambio termico, scambio di materia tra fasi e reattori chimici o biochimici.

Contenuti

1. Richiami di cinetica chimica: velocità di reazione, reazioni elementari e non elementari, ordine di reazione, catalisi ed enzimi, cinetica di crescita microbica, dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura.

2. Reattori continui - modelli fluidodinamici: fase perfettamente miscelata e corrente monodimensionale, reattori a tino in serie, funzione di distribuzione dei tempi di permanenza, bilanci di materia ed analisi di reattori isotermi.

3. Bilancio di energia in sistemi reagenti, calcolo di reattori miscelati continui, discontinui e semicontinui.

4. Trasporto di materia fra fasi: descrizione dei principali processi di separazione, equilibrio fra fasi (richiamo), coefficienti globali di trasporto, variabili di composizione, esempi di calcolo di apparecchiature (altezza di una colonna di assorbimento), coefficienti di trasporto di fase.

5. La diffusione: trasporto diffusivo e trasporto convettivo, la legge di Fick, diffusione in gas, liquidi e solidi, diffusione stazionaria e non stazionaria in geometria piana, cilindrica e sferica, applicazioni.

6. Trasporto di materia in sistemi reagenti: reazioni fluido-solido, reazioni fluido-fluido, trasporto gas-liquido in fermentatori, catalisi eterogenea, il fattore di efficienza.

7. Diffusione in fluidi: convezione generata dalla diffusione, diffusione in film stagnante.

8. Trasporto di materia in moto laminare: problema di Graetz, soluzione asintotiche.

9. Trasporto di materia in fluidi in moto: teoria del film (Lewis – Whitman), correlazioni empiriche per i coefficienti di trasporto, analisi dimensionale,

10. I meccanismi di trasporto del calore, conduzione e convezione in condizioni stazionarie.

11. Problemi di trasporto di calore in condizioni non stazionarie.

12. Analogia matematica fra trasporto di materia, calore e quantità di moto, trasporto simultaneo di materia e calore.

13. Superfici alettate, efficacia ed efficienza.

14 Irraggiamento: legge di Kirchhoff, emissione del corpo nero, emissività dei materiali, fattori di vista, scambio termico fra superfici grigie.

Testi/Bibliografia

Materiali “di lavoro”: Per le parti Reattoristica e Trasporto di Materia verrà seguito il testo: 1. Gostoli C., Trasporto di Materia con elementi di reattoristica chimica e biochimica, Pitagora editrice, Bologna, 2011.

Per il Trasporto di Calore è disponibile una dispensa su AMS Campus  (vedi sito del docente). Sullo stesso sito sono resi disponibili “Esercizi d'esame” contenenti una raccolta di problemi proposti all'esame in anni accademici precedenti, nonché materiale vario (articoli ecc.) che possono essere utili per approfondimenti e che potranno essere integrati durante le lezioni.

Testi per approfondimenti:

2.      Cussler E.L., Diffusion, Mass Transfer in Fluid System, Cambridge University Press, 1984.

3.      Bird B.R., Stewart W.E., Lightfoot E.N., Transport Phenomena, John Wiley & Sons, 2002

4.      F.P. Foraboschi, Principi di Ingegneria Chimica, Utet, 1973

5.      O. Levenspiel, Ingegneria delle reazioni chimiche, Casa editrice ambrosiane, Milano, 1978.

6.      Froment G.F., Bischoff K.B., Chemical reactor analysis and design, John Wiley, 1990.

7. Y.A. Çengel, Termodinamica e trasmissione del calore, McGraw-Hill, 3a Ed., Milano (2009).

8. JONHN H. LIENHARD IV - JONHN H. LIENHARD V: A Heat Transfer Textbook, Phlogiston Press, Cambridge Massachusetts, 2008.

Metodi didattici

Obiettivo del corso è acquisire la capacità di risolvere problemi, gran parte delle lezioni consisteranno quindi nella soluzione alla lavagna di problemi tipici della materia. In aggiunta verranno proposti esercizi da svolgere autonomamente, che verranno poi discussi in classe, per gli aspetti segnalati dagli studenti come più critici. Generalmente gli esercizi non richiedono strumenti di calcolo avanzato, in alcuni casi è utile l'uso di Excel.

Si consiglia di seguire anche il corso di Laboratorio di Principi di Ingegneria Chimica, in cui vengono svolte esperienze inerenti agli argomenti del corso.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Durante il corso verranno effettuati 3 compiti in classe, il cui superamento potrà sostituire l'esame finale.

Il primo compito, orientativamente dopo 3 settimane di lezione, riguarderà la reattoristica (Cap 1 – 3). Il secondo, orientativamente a metà Novembre, gran parte del trasporto di materia (Cap 4 – 11), il terzo, alla fine del corso, la restante parte (Cap 12 – 14) e il trasporto di calore.

Ogni compito potrà prevedere: - un unico esercizio numerico con varie domande, oppure – vari esercizi disgiunti. Vi sarà almeno una domanda a risposta non numerica (discussione, esame qualitativo di alternative ecc.). Ad ogni domanda verrà preventivamente assegnato un punteggio.

Per il superamento dell'esame è necessario conseguire una votazione almeno sufficiente in tutti e 3 i compiti; è tuttavia consentito recuperarne uno (uno solo, eventualmente non superato o non fatto) in occasione del primo appello (circa metà Gennaio). La votazione finale non sarà esattamente la media aritmetica dei tre, in quanto si prevede per il secondo un peso maggiore (da specificare al momento).

Si stressa il fatto che la possibilità di recupero riguarda solo il primo appello; successivamente l'esame dovrà essere sostenuto per intero, senza far riferimento a prove parziali eventualmente superate.

Il normale esame si svolgerà con le stesse modalità, ma i tre compiti dovranno essere svolti in un'unica sessione della durata di 4 ore.

Durante l'esecuzione degli esercizi numerici è consentita la consultazione di libri e manuali, non è consentito l'uso di computer portatili, telefonini o altri strumenti di comunicazione.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Carlo Gostoli

Consulta il sito web di Matteo Minelli