Reattori Chimici e Biochimici Maurizio Fermeglia Paola Posocco DIA

Presentazione sul tema: "Reattori Chimici e Biochimici Maurizio Fermeglia Paola Posocco DIA"— Transcript della presentazione:

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

2 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 2 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

3 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 3 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

4 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 4 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

5 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 5 OPERARE con Processi NON inquinanti e orientati alla INTENSIFICAZIONE DI PROCESSO Risparmio di circa 30 % (Materie Prime + Energia + Costi Operativi) Visione di come dovrebbe diventare un impianto chimico. (Rendering courtesy of DSM)

6 Ingegneria delle reazioni chimiche: applicazioni

7 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 7 1 3 4 7 5 2 6 Cosa fa un ingegnere di processo? Fonte: AIChE

8 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 8 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?

9 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 9 Energia e combustibili 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?

10 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 10 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?

11 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 11 Ambiente, sicurezza, salute … Minimizzazione degli scarti Sicurezza dei trasporti Sicurezza degli impianti Protezione proprietà intellettuale Insegnamento Finanza Ambienti governativi Cosa fa un ingegnere di processo?

12 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 12 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 Cosa fa un ingegnere di processo?

13 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 13 Produzione chimica in US (in milioni di tonnellate) 1. sulfuric acid 35.954 2. nitrogen 30.543 3. ethylene 25.682 4. oxygen 25.568 5. propylene 15.345 6. chlorine 12.166 7. ethylene dichloride 12.163 8. phosphoric acid 11.463 9. ammonia 10.762 10. sodium hydroxide 9.508 11. benzene 7.675 12. nitric acid 6.703 13. ammonium nitrate 6.021 14. ethylbenzene 5.779 15. urea 5.755 16. styrene 5.394 17. hydrochloric acid 5.012 18. ethylene oxide 3.772 19. cumene 3.736 20. ammonium sulfate 2.643

14 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 14 Le 10 maggiori industrie chimiche al mondo: 2015 ranking

15 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 15 Produzione di acido solforico

16 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 16 Produzione di Etilene 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

17 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 17 Produzione di poli etilene a bassa densità

18 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 18 Produzione di poli etilene lineare a bassa densità

19 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 19 Produzione di Nylon 6,6

20 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 20 Reattori catalitici in automobili

21 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 21 Microelectronic devices Ingegneria delle reazioni chimiche per la fabbricazione di dispositivi per la microelettronica CVD (deposizione di materiale – SiO 2 ) Boron doping o ion-implementation (cambio di conduttività) Etching (rimozione di materiale)

22 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 22 CVD per l’industria microelettronica

23 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 23 Fuel cells: Power station & Automotive

24 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 24 Celle a combustibile (Fuel Cells)

25 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 25 Celle a combustibile: processo semplificato con reformer esterno Cleanup Reformer Burner Anode Cathode Natural Gas Water Exhaust Gas Air H2H2 Cleanup

26 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 26 Reforming Interno

27 Obiettivi del corso

28 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 28 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

29 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 29 Obiettivi del corso Cinetica Chimica 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

30 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 30 Piloni dell’ Ingegneria delle reazioni chimiche Mole BalancesRate LawsStoichiometryEnergy BalancesDiffusionContacting Design Chemical Reaction, PFR, CSTR, Batch, SemiB,... Analysis of rate data, laboratory reaction, least-square analysis Modeling real reactors, RTD, Dispersion, Segregation Non isothermal operations, multiple steady state Mass Transfer operations Multiple reactions

31 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 31 Pre requisiti Chimica generale 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

32 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 32 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 – Catalisi e reazioni catalitiche eterogenee

33 Logistica

34 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 34 Orario Lunedì, Martedì e Mercoledì: 17.30 – 19.00 Giovedì: 8.30 – 11.00 (esercitazione ) Giovedì: 17.30 – 19.00 (solo se necessaria) Lezioni in aula Arich Esercitazioni su PC propri

35 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 35 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 materiale del corso http://studenti.di3.units.it Moodle

36 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 36 Metodolgia di esame Esercizi a casa Forniti in aula, anche continuazione di esercizi iniziati 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 Progetto finale Discussione di un progetto da sviluppare al calcolatore Orale con presentazione PPT

37 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 37 Metodologia di esame Il voto dell’esame è dato dai seguenti contributi: Esercizi a casafino a 10 punti Esercizi in aula (provette)fino a 10 punti Progetto finalefino a 10 punti Prova orale Tradizionale per chi non ha superato le prove pratiche o per chi non le ha fatte Volontaria per chi volesse arrotondare

38 Reattori Chimici e Biochimici – Maurizio FermegliaTrieste, 21 June, 2016 - slide 38 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