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    Maria Laura MASTELLONE

    Insegnamento di IMPIANTI CHIMICI E BIOCHIMICI

    Corso di laurea magistrale in SCIENZE E TECNOLOGIE PER L'AMBIENTE E IL TERRITORIO

    SSD: ING-IND/25

    CFU: 6,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 48,00

    Periodo di Erogazione: Primo Semestre

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    ITALIANO

    Contenuti

    Il corso fornisce le nozioni essenziali per dimensionare i reattori e le apparecchiature di utilizzo più comuni e verificarne il corretto dimensionamento in caso di impianti esistenti. La prima parte si propone di insegnare ai discenti come leggere un progetto impiantistico, dalla simbologia utilizzata per redigere i Process Flow Diagram e i P&ID, alla lettura delle planimetrie progettuali.
    Si prosegue con l’impostazione delle relazioni di calcolo progettuali: partendo dalla corretta impostazione dei bilanci di materia e di energia in regime stazionario o dinamico (solo accennato), e basandosi su nozioni di termodinamica e chimica considerate precedentemente acquisite, il corso trasferisce allo studente la competenza per calcolare i principali parametri di un processo chimico e/o biologico che avviene in un ambiente controllato: il reattore. La temperatura ottimale di reazione, il tempo di reazione necessario ad ottenere una determinata resa, il volume minimo necessario a garantire un tempo di residenza ottimale sono le informazioni che verranno ottenute per svariate configurazioni reattoristiche.
    In una seconda parte del corso, è invece affrontata la trasmissione calore e il dimensionamento delle apparecchiature di scambio più importanti.

    Testi di riferimento

    Testi principali:
    A.) O. Levenspiel, Ingegneria delle reazioni, Ed Ambrosiana
    B.) Rittmann, McCarthy, Environmental Biotechnology, McGraw-Hill
    C.) Frank Kreith, Principi di trasmissione del calore, Ed. Liguori
    Testi da consultare:
    A. Bird, Steward, Lightfood, Fenomeni di trasporto, Edizioni Ambrosiana
    B. Perry et al., Perry’s Chemical Engineering Handbook, McGraw-Hill
    Materiale di approfondimento e ripasso (anche di matematica applicata) viene distribuito agli studenti tramite upload su cloud.

    Obiettivi formativi

    Gli obiettivi del corso sono essenzialmente due:
    a) Rendere il laureato in Scienze e Tecnologie Ambientali e per il Territorio in grado di lavorare in gruppi di progettazione di opere complesse dove gli aspetti di interferenza con l’ambiente possono e devono essere mitigati dalla corretta progettazione impiantistica. L’obiettivo non è di porre in competizione un laureato STAT con un ingegnere ambientale/industriale bensì di metterlo in condizioni di collaborare alla pari e fornire uno specifico apporto per ciò che concerne la sostenibilità del progetto su cui si lavora.
    b) Aumentare le possibilità di inserimento del laureato nel mondo professionale.
    Di conseguenza, ci si attende che lo studente sia in grado di affrontare problemi complessi, in autonomia o tramite l’interazione di gruppo, abbandonando il limitativo concetto della soluzione di “esercizi calcolativi” e raggiungendo la maturità necessaria per il problem solving diversificati, complessi e non familiari.

    Prerequisiti

    Lo studente deve avere conoscenze solide di:
    • Algebra ed analisi matematica
    • Geometria
    • Fisica (es. fluidodinamica)
    • Chimica inorganica ed organica

    Metodologie didattiche

    La didattica è fornita tramite lezioni frontali durante le quali la teoria e l’applicazione calcolativa sono inscindibili.
    Non vi è differenza tra lezioni di teoria o di esercitazione. Il laboratorio non è previsto.
    Le informazioni teoriche sono fornite come strumenti per la concreta applicazione in casi presentati e risolti sollecitando l’interattività con lo studente.

    Metodi di valutazione

    L’esame è in forma scritta.
    Esso si svolge avendo a disposizione tutto il materiale didattico distribuito durante il corso ed ogni libro/manuale che lo studente ritiene utile. La memorizzazione puramente nozionistica non è considerata sufficiente per il superamento dell’esame.
    Il test consiste di un certo numero di esercizi (da 5 a 7), la cui soluzione dà diritto ad un punteggio chiaramente indicato a margine.
    L’esame si intende superato quando si raggiunge un punteggio complessivo di almeno 18 punti.
    Il tempo a disposizione è di 90minuti.

    Altre informazioni

    Lo studente deve sempre presentarsi a lezione portando con sé una calcolatrice scientifica e le tabelle e i grafici relativi alle proprietà chimico-fisiche (forniti dal Docente).

    Programma del corso

    In dettaglio, i contenuti affrontati durante le lezioni sono riportati di seguito:
    • Configurazione degli impianti industriali, definizione dei reattori ideali e non, le principali apparecchiature ausiliarie. Sapere leggere e tracciare lay-out, schemi di flusso e PI&D. (4 ore)
    • La modellazione di un processo fisico/chimico. (4 ore)
    • Bilanci di materia rispetto a sistemi omogenei e non, con e senza reazione. (6 ore)
    • L’ingegneria delle reazioni: cinetica chimica/biologica, cinetica fisica e la velocità globale di processo. (2 ore)
    • Le equazioni di progetto per i reattori ideali. Configurazioni in serie e parallelo. I reattori con riciclo. (10 ore)
    • Reattori multifase. Trasferimento interfase. Applicazioni ai sistemi di depolverazione ad umido: scrubber (4 ore)
    • Bilanci di energia applicati a reattori, apparecchiature e sistemi complessi. Modalità di trasmissione del calore: conduzione, convezione ed irraggiamento. Resistenze in serie e in parallelo. (10 ore)
    • Gli scambiatori di calore a tubi e mantello: tipologia e progettazione (4 ore)

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    The course provides the essential knowledge to design the most common reactors and equipment and verify the correct sizing in case of existing systems. The first part aims to teach students how to read a project, starting from the symbols used to draw up the Process Flow Diagrams and P&IDs, to the reading of the plots.
    The course continues with the setting of the design relatyionships: starting from the correct setting of material and energy balances in stationary or dynamic mode (only mentioned), and based on notions of thermodynamics and chemistry considered previously acquired, the course transfers to the student the competence to calculate the main parameters of a chemical and/or biological process that takes place in a controlled environment: the reactor. The optimal reaction temperature, the reaction time necessary to obtain a certain yield, the minimum volume necessary to guarantee an optimal residence time are the information that will be obtained for various reactor configurations.
    In a second part of the course, heat transmission modes are discussed and the sizing of the most utilised heat exchanging equipment is given.

    Textbook and course materials

    Main books:
    D.) O. Levenspiel, Ingegneria delle reazioni, Ed Ambrosiana
    E.) Rittmann, McCarthy, Environmental Biotechnology, McGraw-Hill
    F.) F. Kreith, Trasmissione del calore
    Consultation books:
    C. Bird, Steward, Lightfood, Fenomeni di trasporto, Edizioni Ambrosiana
    D. Perry et al., Perry’s Chemical Engineering Handbook, McGraw-Hill
    Material for in-depth analysis and review (including applied mathematics) is distributed to students via upload to the cloud.

    Course objectives

    The objectives of the course are essentially two:
    a) To enable the graduate in Environmental and Territorial Sciences and Technologies to work in groups designing complex works where aspects of interference with the environment can and must be mitigated by correct plant design. The objective is not to put a STAT graduate in competition with an environmental/industrial engineer, but to put him in a position to collaborate and provide for a specific contribution to what concerns the sustainability of the project.
    b) To make wider the working fields where the graduate can provide his/her know-how.
    Consequently, the student is expected to be able to face complex problems, either autonomously or through group interaction, abandoning the restrictive concept of "computational exercises" and reaching the maturity necessary for diversified, complex and unfamiliar problem solving.

    Prerequisites

    The student must have solid knowledge of:
    • Algebra and mathematical analysis
    • Geometry
    • Physics (e.g. fluid dynamics)
    • Inorganic and organic chemistry

    Teaching methods

    Teaching is provided through frontal lessons in which theory and computational application are inseparable.
    There is no difference between theory and practice lessons. The laboratory is not planned.
    The theoretical information is provided as a tool for the concrete application in cases presented and solved by soliciting interactivity with the student.

    Evaluation methods

    The exam is in written form.
    The student can have access to all the teaching material distributed during the course. Purely notional memorization is not considered sufficient to pass the exam.
    The test consisted on a given number of problems (from 5 to 7), whose solution gives a clearly indicated score (e.g. 4, 6, 10 points).
    The exam is considered passed when the minimum score of total 18 points is reached.
    The time available is 90 minutes.

    Other information

    The student must attend the lessons carrying a scientific calculator and tables and graphs relating to the chemical-physical properties (provided by the Teacher).

    Course Syllabus

    In detail, the contents addressed during the lessons are given below:
    • Configuration of industrial plants, definition of ideal and non-ideal reactors, the main auxiliary equipment. Reading and drawing layouts, flow diagrams and PI&D. (4 hours)
    • The modelling of a physical/chemical process. (4 hours)
    • Material balances in both homogeneous and non-uniform systems, with and without reaction. (6 hours)
    • Reaction engineering: chemical/biological kinetics, physical kinetics and overall process rate. (2 hours)
    • Design equations for ideal reactors. In-series and in parallel configurations. Reactors with recycling. (10 hours)
    • Multiphase reactors. Interphase transfer. Applications to wet clean-up systems: the scrubbers (4 hours)
    • Energy balances applied to reactors, equipment and systems. Heat transmission modes: conduction, convection and radiation. Series and parallel resistances. (10 hours)
    • Tube and shell heat exchangers: type and design (4 hours)

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