Reattori Chimici e Biochimici Maurizio Fermeglia DIA Maurizio.fermeglia@di3.units.it www.Mose.units.it

L’importanza delle reazioni chimiche Reazioni chimiche sono tecnologie fondamentali nella maggior parte dei processi chimici Le caratteristiche delle reazioni influenzano pesantemente le condizioni di separazione Reattori ideali sono semplici da trattare Normalmente i reattori ideali sono sufficienti per bilanci di materia e di energia

Ingegneria delle reazioni chimiche Origini Ingegneria delle reazioni chimiche è nata come disciplina per risolvere problemi originati dalla petrolchimica e dall’industria chimica tra il 1940 ed il 1950. Oggi viene utilizzata in campi molti diversi dalle origini e per applicazioni molto lontane dall’ingegneria chimica classica Cos’è l’ingegneria delle reazioni chimiche CRE ha a che fare con sistemi reattivi di interesse per l’ingegneria CRE è una disciplina che quantifica le interazioni tra i fenomeni di trasporto e la cinetica di reazione e mette in relazione le performance di un reattore con le condizioni operative e le variabili della carica

Perchè studiare CRE? CRE è necessario allo sviluppo di tecnologie esistenti e nuove CRE è necessario per velocizzare la commercializzazione di nuove specie e sostanze chimiche, materiali (materie plastiche) e prodotti farmaceutici Sviluppo di celle a combustibile per automobili Sviluppo di processi biochimici e bio tecnologici Processi nuovi per produzione di gas di sintesi Nuovi reattori per la sintesi di catalizzatori a base di metallocene Esplorazione di catalizzatori per lo sviluppo di nuovi processi particolarmente economici CRE è critico per il miglioramento ambientale di processi chimici esistenti CRE è forse il maggior responsabile della differenza del curriculum dell’ingegnere di processo da altri ingegneri

Visione di come dovrebbe diventare un impianto chimico Visione di come dovrebbe diventare un impianto chimico. (Rendering courtesy of DSM) OPERARE con Processi NON inquinanti e orientati alla INTENSIFICAZIONE DI PROCESSO Risparmio di circa 30 % (Materie Prime + Energia + Costi Operativi)

Ingegneria delle reazioni chimiche: applicazioni

Cosa fa un ingegnere di processo? Fonte: AIChE 7 6 5 1 2 3 4

Cosa fa un ingegnere di processo? Biochimica ed Ingegneria biomedica Biofarmaceutica, produzione di enzimi Organi artificiali Ingegneria dei tessuti Ingegneria del metabolismo Genomica e proteomica Tecnologia delle fermentazioni Trattamento rifiuti Materiali Biomedici

Cosa fa un ingegnere di processo? Energia e combistibili Raffinazione del petrolio Gas Naturale Celle a combustibile Fonti energetiche alternative Generazione di energia pulita Ingegneria Alimentare Nuovi alimenti Additivi per cibo Ottimizzazione del gusto Packaging Shelf life

Cosa fa un ingegnere di processo? Elettronica Strato sottile e processi in bulk Sviluppo di materaili Semiconduttori Trattamento delle scorie Progetto delle macchine Tecnologie di Nano-scala

Cosa fa un ingegnere di processo? Ambiente, sicurezza, salute … Minimizzazione degli scarti Sicurezza dei trasporti Sicurezza degli impianti Protezione proprietà intellettuale Insegnamento Finanza Ambienti governativi

Cosa hanno fatto gli ingegneri di processo? Processi per prodotti chimici Prodotti per agricoltura Gas industriali Vernici, pigmenti, inchiostri Petrolchimica Plastica, compositi Carta Sapone e cosmetici Tessuti sintetici, films, fibre Costruzione e progetto di impianti Progetto di unità e di impianti Upgrade e retrofits Controllo di impianti Information technology Gestione di progetti

Produzione chimica in US (in 10 9 kg) Sulfuric acid 39.62 Ethylene 25.15 Lime 20.12 Phosphoric acid 16.16 Ammonia 15.03 Propylene 14.45 Chlorine 12.01 Sodium hydroxide 10.99 Sodium carbonate 10.21 Ethylene chloride 9.92 Nitric acid 7.99 Ammonium nitrate 7.49 Urea 6.96 Ethylbenzene 5.97 Styrene 5.41 Hydrogen chloride 4.34 Ethylene oxide 3.87 Cumene 3.74 Ammonium sulfate 2.60 1,3-Butadiene 2.01

Produzione di acido solforico

Produzione di Etilene C 2 H 6  C 2 H 4 + H 2 L’etilene viene usata per la produzione di poli etilene, la più famosa materia plastica del mondo NOVA Chemicals and Dow Chemical a Joffre La più grande capacità produttiva di etilene nel mondo Il più grande impianto di etilene nel mondo C 2 H 6  C 2 H 4 + H 2 Reattori tubulari ad alta temperatura

Produzione di poli etilene a bassa densità

Produzione di poli etilene lineare a bassa densità

Produzione di Nylon 6,6

Reattori catalitici in automobili

Microelectronic devices Ingegneria delle reazioni chimiche per la fabbricazione di dispositivi per la microelettronica CVD (deposizione di materiale – SiO2) Boron doping o ion-implementation (cambio di conduttività Etching (rimozione di materiale)

Microelectronic devices Ingegneria delle reazioni chimiche per la fabbricazione di dispositivi per la microelettronica CVD (deposizione di materiale – SiO2) Boron doping o ion-implementation (cambio di conduttività Etching (rimozione di materiale)

CVD per l’industria microelettronica

Fuel cells: Power station & Automotive

Celle a combustibile (Fuel Cells) Figura nuova: riferimento bibliografico; attenzione che è una PEMFC Energia e calore (teleriscaldamento) Impianti a monte (preparazione combustibile: desolforazione e reforming) e a valle (recupero energia: microturbine a gas ed a vapore) Inverter

Celle a combustibile: processo semplificato con reformer esterno Natural Gas Reformer Anode H2 Cleanup Cathode Exhaust Gas Burner Water Cleanup Air

Reforming Interno

Schema concettuale per un MCFC da 50 MW

Obiettivi del corso

Obiettivi del corso Sviluppare una metodologia generale utile da applicare alla risoluzione di vari sistemi: chimici (come produzione di sostanze chimiche, abbattimento degli inquinanti,…) biochimici e biologici (come crescite enzimatiche, crescita di cellule,…) elettrochimici (come celle a combustibile) …. Dove l’ingegneria delle reazioni è necessaria Argomenti fondamentali: Cinetica Chimica Progettazione di Reattori Chimici

Obiettivi del corso Cinetica Chimica Progetto di reattori chimici Ha a che fare con quanto velocemente procede una reazione (velocità di reazione) Ha a che fare con meccanismi di reazione Ha a che fare con effetti di P,T, composizione e catalisi sulla velocità di reazione Progetto di reattori chimici Ha a che fare con il dimensionamento di reattori Ha a che fare con tipi e configurazioni di reattori Coinvolge considerazioni su trasferimento di calore e massa Reazione chimica … in contrapposizione a reazione nucleare

Piloni dell’ Ingegneria delle reazioni chimiche Multiple reactions Mass Transfer operations Non isothermal operations, multiple steady state Modeling real reactors, RTD, Dispersion, Segregation Analysis of rate data, laboratory reaction, least-square analysis Design Chemical Reaction, PFR, CSTR, Batch, SemiB,... Mole Balances Rate Laws Stoichiometry Energy Balances Diffusion Contacting

Pre requisiti Chimica generale Principi di ingegneria chimica Reazioni chimiche Equilibrio e cinetica Stechiometria Principi di ingegneria chimica Bilanci di materia e di energia Proprietà volumetriche di gas reali Fondamenti di bilanci integrati di materia e di energia Termodinamica Equilibrio chimico Attività e coefficienti di attività Informatica e matematica Manualità in Excel Soluzione di sistemi di eq. differenziali ordinarie Soluzione di sistemi non lineari Minimizzazione di funzioni

Argomenti del corso Concetti di base di cinetica chimica omogenea, richiami di termodinamica e progetto di reattori per sistemi semplici (reattori ideali e singole reazioni) 1 – Bilanci di mole, Tipi di reattori 2 – Conversione e dimensionamento di reattori 3 – velocità di reazione, leggi cinetiche e stechiometria 4 – progetto di reattori isotermi Reattori ideali: effetti termici e reazioni multiple 5 – Analisi di dati di velocità di reazione 7 – Meccanismi di reazione, bio reazioni e bioreattori 8 – Progetto di Reattori non isotermi Sistemi complessi e reattori reali 6 - Reattori multipli e reazioni multiple 10 – reazioni eterogenee 11 – 12 - Diffusione e reazione chimica 13 – 14 - Reattori non ideali e distribuzione di tempi di residenza

Logistica

Orario Martedì: 14.30 – 17.00 Mercoledì: 11.15 – 13.00 – 14.30 – 16.00 (*) Giovedì: 8.30 – 11.00 Lezioni in aula Arich (* aula C) Esercitazioni su PC propri

Testi di riferimento Elements of Chemical Reaction Engineering di H.Scott Fogler, 4rd Edition, Prentice Hall Risorsa aggiuntiva: CD-ROM Summary Notes Interactive Computer Modules Solved Problems - Thoughts on Problem Solving Risorse Web http://www.engin.umich.edu/~cre/ Testi di riferimento Chemical Reaction Engineering by Octave Levenspiel, 3rd Edition, Wiley & Sons An Introduction to Chemical Engineering Kinetics & Reactor Design by C.G. Hill, Wiley & Sons Slides e mateiale del corso http://studenti.di3.units.it

Metodolgia di esame: prove pratiche Esercizi a casa Forniti in aula Possono essere esercizi teorici, numerici, al calcolatore Da consegnare risolti entro una certa data via email I prova scritta Al termine della parte 1 (Reattori ideali isotermi) Alcuni problemi da risolvere a mano con calcolatrice da tavolo A disposizione tutti i manuali professionali e le fonti di dati II prova scritta Al termine della parte II (reattori non isotermi) Stesse metodologie di cui sopra Team work Discussione di un progetto da sviluppare al calcolatore Sviluppo in gruppo

Metodologia di esame Il voto dell’esame è dato dai seguenti contributi: Esercizi a casa fino a 5 punti Esercizi in aula (provette) fino a 15 punti Team work fino a 15 punti Prova orale eventuale arrotondamento Prova orale Tradizionale per chi non ha superato le prove pratiche o per chi non le ha fatte Volontaria per chi volesse arrotondare.

Strumenti e modalità didattiche Lezioni teoriche su slides tipo PPT, che saranno rese disponibili volta per volta sul sito del corso. Esempi in classe (circa 50% del tempo dedicato ad aspetti pratici) da svolgere mediante calcolatore tascabile – foglio Excel – programmi di simulazione (Polymath) Home work Dialogo con il docente Via email In qualsiasi momento su appuntamento (da prendere via email ) Riempire il modulo con gli indirizzi di e mail