ITALIANO

Elementi fondamentali dei bilanci di materia ed energia di processi di produzione, 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.

R.M. Felder, R.W. Rousseau, L.G. Bullard (2016) Elementary Principles of Chemical Processes, 4th ed., J. Wiley ISBN 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

L’insegnamento vuole 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, quali principi di funzionamento, campi di utilizzo, parametri chiave e implicazioni economiche. Alla fine del corso lo studente dovrà essere in grado di 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, filtri a manica e post-combustori.

Conoscenze e abilità fornite dal corso di Chimica generale ed inorganica.

Lezioni frontali con esercitazioni numeriche

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.

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

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).
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; 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.

Italian

Elementary principles of manufacturing 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.

R.M. Felder, R.W. Rousseau, L.G. Bullard (2016) Elementary Principles of Chemical Processes, 4th ed., J. Wiley ISBN 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
Didactic material available at: https://uninadue.sharepoint.com/sites/docenti/UMBERTO_ARENA_057684/SitePages/Home%20Page.aspx

The course aims to provide a general framework about the principles of industrial pollution control engineering, with specific information on process and technological aspects to be considered in the selection and design of a pollution control system, such as its range of utilization, main operating and process performance variables, and economic viability. At the end of the course the student will be able to implement 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, fabric filters, and incinerators of volatile organic compounds.

Knowledge and skills provided by the course of General and Inorganic Chemistry.

Front desk lectures with numerical exercises

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.

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

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).
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; 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.