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    Umberto ARENA

    Insegnamento di IMPIANTI DI TRATTAMENTO DEGLI EFFLUENTI INQUINANTI

    Corso di laurea in SCIENZE AMBIENTALI

    SSD: ING-IND/25

    CFU: 6,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 48,00

    Periodo di Erogazione: Secondo Semestre

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    ITALIANO

    Contenuti

    Elementi fondamentali dei bilanci di materia ed energia di processi chimici, partendo dalle equazioni generali di bilancio fino allo sviluppo di esempi calcolativi per processi di complessità crescente, con particolare attenzione agli aspetti di utilità per il trattamento degli effluenti da impianti industriali.
    Sistemi di controllo delle emissioni gassose inquinanti, dai principi di funzionamento ai criteri di dimensionamento, sia per l’abbattimento di materiale particolato che di composti gassosi inquinanti.

    Testi di riferimento

    R.M. Felder, R.W. Rousseau, L.G. Bullard (2016) Elementary Principles of Chemical Processes, 4rd ed., J. Wiley ISBN-13: 978-0-470-61629-1
    C.D. Cooper e F.C. Alley (2002) Air Pollution Control: a Design Approach, Waveland Press
    D.W. Green e R.H. Perry (2007) Perry's Chemical Engineers' Handbook. 8th ed. Mc Graw Hill
    Materiale di supporto disponibile a: https://uninadue.sharepoint.com/sites/docenti/UMBERTO_ARENA_057684/SitePages/Home%20Page.aspx

    Obiettivi formativi

    L’insegnamento si prefigge di fornire un quadro d’assieme della problematica del trattamento degli effluenti da impianti industriali, con informazioni sui principali aspetti di processo e tecnologici da tenere presente nella scelta e nel dimensionamento del sistema di trattamento, e quindi, in particolare, su principi di funzionamento, campi di utilizzo, variabili chiave e implicazioni economiche.
    Alla fine del corso lo studente saprà sviluppare bilanci di materia e di energia su processi diversi: partendo dall’equazioni generali di bilancio fino alla soluzione di problemi calcolativi che simulano le principali condizioni di funzionamento dei processi di maggiore interesse, con particolare attenzione a specifici sistemi di trattamento degli effluenti inquinanti, quali cicloni e filtri a manica.

    Prerequisiti

    Conoscenze e abilità fornite dai corsi di Chimica generale ed inorganica e di Chimica Fisica

    Metodologie didattiche

    Lezioni frontali con esercitazioni numeriche

    Metodi di valutazione

    Prova scritta con esercitazioni numeriche e domande. La prova sarà unica, con aspetti calcolativi e alcune domande di teoria, con una durata variabile tra 1,5 e 2 ore, durante la quale sarà possibile consultare tabelle e dati, forniti durante il corso.
    La successiva prova orale, a cui sono ammessi solo gli studenti che hanno superato con almeno 18/30 la prova scritta, consiste nella discussione della stessa prova scritta.

    Altre informazioni

    È disponibile materiale di supporto on-line, comprese le diapositive delle lezioni.
    Programmi di tutorato posso essere attivati.

    Programma del corso

    1. Introduzione ai calcoli di bilancio. Conversioni di unità di misura. Omogeneità dimensionale. Variabili di processo: massa e volume; portata; composizione chimica; pressione; temperatura. Classificazione dei processi: discontinui, continui e semicontinui; a regime stazionario ed in transitorio.
    2. Bilanci di materia per impianti industriali. L’equazione generale di bilancio: bilanci su processi continui in stato stazionario; bilanci su processi discontinui e semicontinui. Calcoli di bilanci di materia per processi con singole unità: diagrammi di flusso; basi di calcolo; analisi dei gradi di libertà; procedura generale di calcolo. Calcoli di bilanci di materia per processi con unità multiple: procedura generale; riciclo e bypass; spurgo. Stechiometria delle reazioni chimiche: rapporto stechiometrico; reagenti limitanti ed in eccesso; conversione frazionaria ed estensione della reazione; equilibrio chimico; reazioni multiple, resa e selettività. Calcoli di bilanci di materia sulle specie molecolari ed atomiche. Reazioni di combustione: aria teorica ed eccesso d’aria; combustione di combustibili di composizione incognita. Sistemi a singola fase: densità di solidi e liquidi; gas ideali (equazione di stato; miscele di gas ideali); equazioni di stato per gas non-ideali.
    3. Bilanci di energia per impianti industriali. Forme di energia e prima legge della termodinamica: energia cinetica, potenziale e interna. Bilanci di energia su sistemi chiusi. Bilanci di energia su sistemi aperti in stato stazionario (lavoro all’albero; proprietà specifiche ed entalpia). Tabelle di dati termodinamici (stato di riferimento; proprietà di stato; tabelle del vapore). Procedure di bilancio di energia: bilancio di energia per processi a uno o più componenti. Bilanci di energia per processi non reattivi: cammini di processi ipotetici; cambi di pressione a temperatura costante; cambi di temperatura (calore sensibile e calori specifici); operazioni con cambio di fase (calori latenti). Bilanci di energia per processi reattivi: calori di reazione; calori di formazione; calori di combustione; procedura generale di calcolo; combustibili e combustione.
    4. Trattamento di effluenti gassosi inquinanti. Approccio al problema della pulizia di un gas. Note sulla caratterizzazione degli inquinanti: Polveri (classificazione e relazioni generali per diametro medio, densità, forma, distribuzione granulometrica); Gas (classificazione e relazioni generali).
    5. Sistemi di controllo delle emissioni gassose inquinanti. Principio di funzionamento e dei criteri di dimensionamento di: Cicloni e multicicloni; Filtri a manica (a scuotimento, a flusso inverso e a getti pulsanti); Precipitatori elettrostatici; Adsorbitori con carboni attivi; Assorbitori (a secco, semisecco e a umido); Post-combustori termici e catalitici (recuperativi e rigenerativi).
    Attività di campo: Visita tecnica presso un impianto di trattamento degli effluenti inquinanti di industrie di processo, che utilizzino sistemi di controllo analizzati nel corso.

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    Elementary principles of chemical processes, starting from the general equation of material and energy balances for non-reactive and reactive processes, with a particular focus on case studies related to air pollution control systems.
    Working principles and design criteria of the main air pollution control technologies for gaseous streams, for particulate and gaseous pollutants removal.

    Textbook and course materials

    R.M. Felder, R.W. Rousseau, L.G. Bullard (2016) Elementary Principles of Chemical Processes, 4rd ed., J. Wiley ISBN-13: 978-0-470-61629-1
    C.D. Cooper and F.C. Alley (2002) Air Pollution Control: a Design Approach, Waveland Press
    D.W. Green and R.H. Perry (2007) Perry's Chemical Engineers' Handbook. 8th ed. Mc Graw Hill
    Didactic material available at: https://uninadue.sharepoint.com/sites/docenti/UMBERTO_ARENA_057684/SitePages/Home%20Page.aspx

    Course objectives

    The course aims to provide a general framework about the principles of the industrial pollution control engineering, with specific information on process and technological aspects necessary in the selection and design of a pollution control system, its range of utilization as well as the main operating and process performance variables.
    At the end of the course the student will be able to develop material and energy balances on production processes: starting from the general equation of balance until the quantitative description of the processes of larger interest, with a particular attention to air pollution control units, such as cyclones and fabric filters.

    Prerequisites

    Knowledge and skills provided by the courses of General and Inorganic Chemistry and of Physical Chemistry

    Teaching methods

    Front desk lectures with numerical exercises

    Evaluation methods

    Written test containing numerical exercise and questions. There will be just one written test, with an available time of 1.5-2 h. During the test it will be possible to utilize table and data, provided during the course.
    Only the students that pass the written test with a score of at least 18/30 will be admitted to the oral exam, where there will be a discussion of the written test.

    Other information

    Supporting material is available on-line, including slides of lectures.
    Tutorial programs can be activated.

    Course Syllabus

    1. Introduction to balance calculations. Conversion of Units. Dimensional homogeneity. Process variables: mass and volume; flow rate; chemical composition; pressure; temperature. Process classification: batch, semibatch and continuous processes; processes at steady state and transient processes.
    2. Mass balance calculations for industrial plants. The general balance equation: balances on continuous steady-state processes; integral balances on batch and semibatch processes. Balances on single-unit processes: flowchart, basis of calculation; scale-up; degree-of-freedom analysis; general procedure for single-unit process material balance calculations. Balances on multiple-unit processes: general procedure; recycle and bypass; purge. Chemical reaction stoichiometry: stoichiometric ratio; limiting and excess reactants; fractional conversion and extent of reaction; chemical equilibrium; multiple reactions, yield and selectivity. Balances on reactive processes: balances on molecular and atomic species. Combustion reactions: theoretical and excess air; combustion of hydrocarbon fuel of unknown composition. Single-phase systems: liquid and solid densities; ideal gases (equation of state; ideal gas mixtures); equations of state for nonideal gases.
    3. Energy balance calculations for industrial plants. Form of energy and the first law of thermodynamics: kinetic, potential and internal energy. Energy balances on closed systems. Energy balances on open systems at steady state (shaft work; specific properties and enthalpy). Tables of thermodynamic data (reference state and state properties; steam tables). Energy balance procedures: energy balance on one-component or multi-component processes. Balances on nonreactive processes: hypothetical process paths; changes in pressure at constant temperature and state; changes in temperature at constant pressure and state (sensible heat and heat capacities); phase changes at constant temperature and pressure (latent heats). Balances on reactive processes: heat of reaction; heat of formation; heat of combustion; general procedures of calculations; combustion and fuels.
    4. Treatment of polluted flue gas streams. Approach to the problem of polluted gas cleaning. Notes on pollutant characterization: powders (classification and general relationships for average diameter, density, shape, size distribution); gases (classification and general relationships).
    5. Industrial pollution control engineering. Working principle and design criteria of: Cyclones and multi-cyclones; Fabric filters (mechanical shakers, reverse air, pulse jets); Electrostatic precipitators; Adsorbers with activated carbons; Absorbers (dry, semi-dry, wet); Thermal and catalytic incinerators (recuperative and regenerative).
    Field activity: Technical visit at a pollution control plant of a process industry, which utilizes control devices analysed during the course.

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