Impianti chimici con laboratorio
A.A. 2024/2025
Obiettivi formativi
Gli studenti affrontano le tematiche di base legate alle principali tecnologie impiantistiche, sia da un punto di vista teorico che sperimentale. In particolare gli studenti apprenderanno: 1) la classificazione delle operazioni unitarie; 2) quali sono i principi base di dimensionamento delle principali apparecchiature chimiche; 3) i criteri di scelta di reattori ed operazioni unitarie; 4) la gestione sperimentale di unità di impianti chimici in scala da laboratorio e la loro interpretazione anche con l'utilizzo della simulazione di processo.
Risultati apprendimento attesi
Al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di svolgere calcoli quantitativi per il dimensionamento di singole operazioni unitarie, bilanci materiali ed energetici, operare una scelta razionale sulla tipologia di apparecchiature necessarie in un impianto chimico per svolgere varie funzioni.
In particolare:
- Definire correttamente le diverse operazioni unitarie di un impianto chimico
- Descrivere il funzionamento di un'operazione unitaria con i termini tecnici corretti
- Calcolare i bilanci di massa e energia relativi a diverse parti di impianto
- Dimensionare correttamente le diverse operazioni unitarie in base ai dati a disposizione (con particolare riferimento a distillazione/rettifica, assorbimento, estrazione, fluidizzazione, filtrazione, compressione e pompaggio)
- Selezionare correttamente le diverse operazioni unitarie in base alle esigenze impiantistiche
- Interpretare un documento tecnico (Process Flow Diagram) di impianto e saperlo descrivere
- Disegnare un documento tecnico (Process Flow Diagram) di impianto
- Interpretare un documento tecnico strumentale (Piping and Instrumentation Diagram) di impianto e saperlo descrivere
- Descrivere le apparecchiature sperimentali utilizzate nel laboratorio
- Descrivere le procedure sperimentali utilizzate nel laboratorio
- Descrivere i calcoli per l'interpretazione dei dati raccolti in laboratorio
- Illustrare i principi su cui si basa la simulazione di processo
- Utilizzare software di simulazione di processo per il calcolo delle tensioni di vapore, degli equilibri tra fasi fluide e per la rappresentazione di colonne di distillazione e assorbimento
- Descrivere la struttura e le unità presenti nell'impianto di Crude Distillation Unit virtuale
- Descrivere le procedure di lavoro da utilizzarsi nell'impianto di Crude Distillation Unit virtuale
In particolare:
- Definire correttamente le diverse operazioni unitarie di un impianto chimico
- Descrivere il funzionamento di un'operazione unitaria con i termini tecnici corretti
- Calcolare i bilanci di massa e energia relativi a diverse parti di impianto
- Dimensionare correttamente le diverse operazioni unitarie in base ai dati a disposizione (con particolare riferimento a distillazione/rettifica, assorbimento, estrazione, fluidizzazione, filtrazione, compressione e pompaggio)
- Selezionare correttamente le diverse operazioni unitarie in base alle esigenze impiantistiche
- Interpretare un documento tecnico (Process Flow Diagram) di impianto e saperlo descrivere
- Disegnare un documento tecnico (Process Flow Diagram) di impianto
- Interpretare un documento tecnico strumentale (Piping and Instrumentation Diagram) di impianto e saperlo descrivere
- Descrivere le apparecchiature sperimentali utilizzate nel laboratorio
- Descrivere le procedure sperimentali utilizzate nel laboratorio
- Descrivere i calcoli per l'interpretazione dei dati raccolti in laboratorio
- Illustrare i principi su cui si basa la simulazione di processo
- Utilizzare software di simulazione di processo per il calcolo delle tensioni di vapore, degli equilibri tra fasi fluide e per la rappresentazione di colonne di distillazione e assorbimento
- Descrivere la struttura e le unità presenti nell'impianto di Crude Distillation Unit virtuale
- Descrivere le procedure di lavoro da utilizzarsi nell'impianto di Crude Distillation Unit virtuale
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Prerequisiti
Lo studente deve conoscere la stechiometria, i fondamenti di matematica e fisica trattati nei corsi di base, deve aver almeno chiari qualitativamente i concetti di fenomeni di trasporto (di calore, materia e quantità di moto), trattati ad esempio nel corso di chimica fisica industriale. Devono inoltre essere stati assimilati i simboli e la struttura di un flowsheet, come presentati ad esempio nel corso di Chimica Industriale.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
Modulo Impianti chimici
L'esame consta di una prova scritta e di una orale. Per la prova scritta è richiesta la risoluzione di un problema simile agli esercizi svolti a lezione, di cui è riportata ampia casistica sia sul sito Ariel del corso, sia sui libri di testo adottati. Gli studenti possono consultare durante la prova tutto il materiale che ritengono opportuno, inclusi testi, dispense, ecc. Devono munirsi di fogli di carta millimetrata per eventuali costruzioni grafiche. Ovviamente non è concessa la comunicazione tra gli studenti e con l'esterno, quindi non sono ammessi PC, smartwatch, smartphone o tablet. La durata è 2 ore. Se la prova è sufficiente (votazione >15/30), lo studente è ammesso all'orale.
La prova orale è costituita da due domande su altrettanti argomenti trattati durante il corso. Inoltre, durante la prova orale si farà la discussione di un flowsheet di processo.
Durante la valutazione della prova scritta si accerta, oltre alla capacità di impostare la soluzione, la capacità di riconoscere la ragionevolezza di un risultato. Durante la valutazione della prova orale, lo studente deve innanzitutto dimostrare di aver compreso il fondamento fisico dell'argomento trattato, i presupposti e la sua importanza in ambito applicativo. Parallelamente, deve dimostrare di riuscire a quantificare (correttamente) il fenomeno in esame utilizzando i modelli visti durante il corso.
Modulo Laboratorio
Gli studenti svolgeranno le esercitazioni pratiche in gruppi di 3-4 persone. Al termine del laboratorio ogni gruppo dovrà preparare una relazione scritta, con i risultati raccolti e le elaborazioni numeriche e di simulazione spiegate a lezione. Ogni studente dovrà quindi affrontare un colloquio finale orale, sulla base di questa relazione. In questo colloquio verrà accertata la conoscenza degli impianti e delle procedure sperimentali, delle elaborazioni numeriche e della simulazione di processo per quanto riguarda le esercitazioni svolte.
Le prove d'esame verificheranno:
1) la competenza nel design di operazioni unitarie;
2) la competenza nella scelta del modello termodinamico più appropriato per la descrizione del sistema;
3) la comprensione delle esperienze pratiche.
L'esame consta di una prova scritta e di una orale. Per la prova scritta è richiesta la risoluzione di un problema simile agli esercizi svolti a lezione, di cui è riportata ampia casistica sia sul sito Ariel del corso, sia sui libri di testo adottati. Gli studenti possono consultare durante la prova tutto il materiale che ritengono opportuno, inclusi testi, dispense, ecc. Devono munirsi di fogli di carta millimetrata per eventuali costruzioni grafiche. Ovviamente non è concessa la comunicazione tra gli studenti e con l'esterno, quindi non sono ammessi PC, smartwatch, smartphone o tablet. La durata è 2 ore. Se la prova è sufficiente (votazione >15/30), lo studente è ammesso all'orale.
La prova orale è costituita da due domande su altrettanti argomenti trattati durante il corso. Inoltre, durante la prova orale si farà la discussione di un flowsheet di processo.
Durante la valutazione della prova scritta si accerta, oltre alla capacità di impostare la soluzione, la capacità di riconoscere la ragionevolezza di un risultato. Durante la valutazione della prova orale, lo studente deve innanzitutto dimostrare di aver compreso il fondamento fisico dell'argomento trattato, i presupposti e la sua importanza in ambito applicativo. Parallelamente, deve dimostrare di riuscire a quantificare (correttamente) il fenomeno in esame utilizzando i modelli visti durante il corso.
Modulo Laboratorio
Gli studenti svolgeranno le esercitazioni pratiche in gruppi di 3-4 persone. Al termine del laboratorio ogni gruppo dovrà preparare una relazione scritta, con i risultati raccolti e le elaborazioni numeriche e di simulazione spiegate a lezione. Ogni studente dovrà quindi affrontare un colloquio finale orale, sulla base di questa relazione. In questo colloquio verrà accertata la conoscenza degli impianti e delle procedure sperimentali, delle elaborazioni numeriche e della simulazione di processo per quanto riguarda le esercitazioni svolte.
Le prove d'esame verificheranno:
1) la competenza nel design di operazioni unitarie;
2) la competenza nella scelta del modello termodinamico più appropriato per la descrizione del sistema;
3) la comprensione delle esperienze pratiche.
Modulo: Impianti chimici
Programma
Modulo Impianti chimici
Reperibilità di dati termodinamici e cenni sui metodi a contributo di gruppo.
Termodinamica Applicata: modelli per la definizione di coefficienti di fugacità ed attività.
Equilibrio Liquido-Vapore (ELV) nei diversi casi di idealità o meno delle fasi; consistenza termodinamica dell'ELV. Diagrammi per l'ELV.
Equilibrio Liquido-Liquido (ELL): diagrammi relativi per sistemi binari e ternari. Criteri termodinamici per lo smiscelamento di due liquidi.
Classificazione operazioni unitarie per logica operativa
Classificazione ed equazione generale di dimensionamento di reattori chimici
Operazioni unitarie di separazione di fluidi
Distillazione e Rettifica: Apparecchiature. Distillazione continua in uno stadio (Flash). Rettifica continua in colonna a piatti: miscele binarie e miscele a più componenti: calcolo numero di stadi teorici. Distillazione e rettifica discontinue. Criteri per il calcolo dell'efficienza. Criteri per il dimensionamento (chimico ed idraulico).
Assorbimento: descrizione delle operazioni di assorbimento (absorption) /desorbimento (stripping). Apparecchiature e corpi di riempimento. Calcolo dell'altezza del riempimento, del diametro e della perdita di carico in una colonna di assorbimento. Assorbimento in colonna a piatti: determinazione del numero di piatti.
Estrazione Liquido-Liquido: Descrizione delle operazioni. Apparecchiature continue e discontinue, configurazione in equi e contro corrente. Coefficienti di ripartizione e di selettività. Scelta del solvente.
Macchine: pompe, compressori, principi di funzionamento, dimensionamento.
Letti fluidizzati. Filtrazione.
Cenni ai software per la simulazione di processo.
Esercizi associati a ciascun tema.
Reperibilità di dati termodinamici e cenni sui metodi a contributo di gruppo.
Termodinamica Applicata: modelli per la definizione di coefficienti di fugacità ed attività.
Equilibrio Liquido-Vapore (ELV) nei diversi casi di idealità o meno delle fasi; consistenza termodinamica dell'ELV. Diagrammi per l'ELV.
Equilibrio Liquido-Liquido (ELL): diagrammi relativi per sistemi binari e ternari. Criteri termodinamici per lo smiscelamento di due liquidi.
Classificazione operazioni unitarie per logica operativa
Classificazione ed equazione generale di dimensionamento di reattori chimici
Operazioni unitarie di separazione di fluidi
Distillazione e Rettifica: Apparecchiature. Distillazione continua in uno stadio (Flash). Rettifica continua in colonna a piatti: miscele binarie e miscele a più componenti: calcolo numero di stadi teorici. Distillazione e rettifica discontinue. Criteri per il calcolo dell'efficienza. Criteri per il dimensionamento (chimico ed idraulico).
Assorbimento: descrizione delle operazioni di assorbimento (absorption) /desorbimento (stripping). Apparecchiature e corpi di riempimento. Calcolo dell'altezza del riempimento, del diametro e della perdita di carico in una colonna di assorbimento. Assorbimento in colonna a piatti: determinazione del numero di piatti.
Estrazione Liquido-Liquido: Descrizione delle operazioni. Apparecchiature continue e discontinue, configurazione in equi e contro corrente. Coefficienti di ripartizione e di selettività. Scelta del solvente.
Macchine: pompe, compressori, principi di funzionamento, dimensionamento.
Letti fluidizzati. Filtrazione.
Cenni ai software per la simulazione di processo.
Esercizi associati a ciascun tema.
Metodi didattici
Modulo Impianti chimici
Le lezioni frontali si alterneranno ad esercitazioni numeriche. Saranno previste anche alcune esercitazioni in aula informatica per acquisire conoscenze di base nell'uso di alcuni software di simulazione di processo. Il corso frontale è strettamente collegato al modulo di laboratorio.
Le lezioni frontali si alterneranno ad esercitazioni numeriche. Saranno previste anche alcune esercitazioni in aula informatica per acquisire conoscenze di base nell'uso di alcuni software di simulazione di processo. Il corso frontale è strettamente collegato al modulo di laboratorio.
Materiale di riferimento
Modulo Impianti chimici
- F. Cavani, G. Centi, M. Di Serio, I. Rossetti, A. Salvini, G. Strukul, "Fondamenti di chimica industriale. Materie prime, prodotti, processi, sostenibilità", Zanichelli, 2022.
- B.E.Poling, J.M.Prausnitz, J.P. O'Connell, "The Properties of Gases and Liquids" McGraw-Hill, 2001.
- W.L. Mc Cabe, J.C. Smith, P. Harriot, "Unit operations of chemical engineering", Mc Graw Hill, 2001.
- J.M. Douglas, "Conceptual design of chemical processes", Mc Graw Hill, 1988.
- V. Ragaini, C. Pirola, "Processi di Separazione nell'Industria Chimica", Hoepli
Dispense e altro materiale didattico a cura della docente, messo a disposizione tramite la piattaforma myAriel (attenzione, far sempre riferimento all'anno in corso).
- F. Cavani, G. Centi, M. Di Serio, I. Rossetti, A. Salvini, G. Strukul, "Fondamenti di chimica industriale. Materie prime, prodotti, processi, sostenibilità", Zanichelli, 2022.
- B.E.Poling, J.M.Prausnitz, J.P. O'Connell, "The Properties of Gases and Liquids" McGraw-Hill, 2001.
- W.L. Mc Cabe, J.C. Smith, P. Harriot, "Unit operations of chemical engineering", Mc Graw Hill, 2001.
- J.M. Douglas, "Conceptual design of chemical processes", Mc Graw Hill, 1988.
- V. Ragaini, C. Pirola, "Processi di Separazione nell'Industria Chimica", Hoepli
Dispense e altro materiale didattico a cura della docente, messo a disposizione tramite la piattaforma myAriel (attenzione, far sempre riferimento all'anno in corso).
Modulo: Laboratorio di impianti chimici
Programma
Modulo Laboratorio
Verranno svolte in laboratorio le seguenti esperienze:
Esercitazione 1: Misura della tensione di vapore di un liquido a diverse temperature
Esercitazione 2: Raccolta di dati di equilibrio liquido/vapore di una miscela binaria in condizione isobare
Esercitazione 3: Conduzione di una colonna di rettifica a rapporto di riflusso finito e infinito
Esercitazione 4: Conduzione di una colonna di assorbimento con diversi rapporti di portate liquido/gas
Esercitazione 5: Visita e esercitazioni in un impianto virtuale di Crude Distillation Unit tramite sistema ITS (Immersive Training System)
Esercitazione 6: Introduzione al sistema ARDUINO per la creazione e programmazione di strumenti di processo. Teoria di base, programmazione di base ed esercitazione consistente nell'assemblaggio, messa in opera e test di una sonda per la rilevazione e registrazione di temperatura.
Verrà inoltre svolta la elaborazione dati e la simulazione di processo per tutte le esperienze.
Verranno svolte in laboratorio le seguenti esperienze:
Esercitazione 1: Misura della tensione di vapore di un liquido a diverse temperature
Esercitazione 2: Raccolta di dati di equilibrio liquido/vapore di una miscela binaria in condizione isobare
Esercitazione 3: Conduzione di una colonna di rettifica a rapporto di riflusso finito e infinito
Esercitazione 4: Conduzione di una colonna di assorbimento con diversi rapporti di portate liquido/gas
Esercitazione 5: Visita e esercitazioni in un impianto virtuale di Crude Distillation Unit tramite sistema ITS (Immersive Training System)
Esercitazione 6: Introduzione al sistema ARDUINO per la creazione e programmazione di strumenti di processo. Teoria di base, programmazione di base ed esercitazione consistente nell'assemblaggio, messa in opera e test di una sonda per la rilevazione e registrazione di temperatura.
Verrà inoltre svolta la elaborazione dati e la simulazione di processo per tutte le esperienze.
Metodi didattici
Modulo di Laboratorio
Gli studenti effettueranno le esercitazioni in gruppi di 3-4 persone, producendo una relazione di fine laboratorio da discutere per la verifica dell'apprendimento.
Gli studenti effettueranno le esercitazioni in gruppi di 3-4 persone, producendo una relazione di fine laboratorio da discutere per la verifica dell'apprendimento.
Materiale di riferimento
- V. Ragaini, C. Pirola, "Processi di Separazione nell'Industria Chimica", Hoepli
- Slides presentate a lezione
- Dispense delle esercitazioni
- Slides presentate a lezione
- Dispense delle esercitazioni
Moduli o unità didattiche
Modulo: Impianti chimici
ING-IND/25 - IMPIANTI CHIMICI - CFU: 6
Esercitazioni: 16 ore
Lezioni: 40 ore
Lezioni: 40 ore
Docente:
Rossetti Ilenia Giuseppina
Turni:
Turno
Docente:
Rossetti Ilenia Giuseppina
Modulo: Laboratorio di impianti chimici
ING-IND/25 - IMPIANTI CHIMICI - CFU: 6
Laboratori: 64 ore
Lezioni: 16 ore
Lezioni: 16 ore
Docente:
Pirola Carlo
Turni:
Turno
Docente:
Pirola CarloDocente/i
Ricevimento:
Tutti i giorni lavorativi, previo appuntamento. Il ricevimento avverra' via Microsoft Teams.
Studio R 30 S Dipartimento di Chimica (tramite Microsoft Teams)
Ricevimento:
In qualsiasi momento previo appuntamento via mail
Ufficio del docente o MS Teams