ITIS e Liceo
S. T. “E. Molinari “ – Milano- a.s. 2010-11
Triennio Chimica
Obiettivi
disciplinari generali
Le finalità dell'insegnamento sono:
Al
termine del corso l'allievo dovrebbe essere in grado di:
Tempi del percorso formativo:
Ore di lezione previste: 7 ore settimanali 231 ore annuali (33 settimane)
Così ripartite: Svolgimento del programma: 65%
Verifiche: 20%
Attività di recupero: 15%
Risorse
·
Libro
di testo: S. Natoli,
M. Calatozzolo: Tecnologie Chimiche Industriali, vol.
Ill, Edisco Editrice -
Torino.
·
Software:
M.P.I.-D.G.l.T., II Petrolio: Energia,
Materia Prima e Prodotti Finiti (CD-ROM multimediale);
LICSIMU,
programma di simulazione di controllo di livello;
Antoine, foglio
elettronico per calcolare dei dati d'equilibrio liquido-vapore e per tracciarne
i
grafici.
Autocad: computerizzazione grafica
Fogli
elettronici allegati al libro di testo
·
Laboratorio
(apparecchiature specifiche per il V corso):
Impianto
pilota automatizzato e computerizzato per il controllo di livello
Impianto
pilota automatizzato e computerizzato per lo studio dell'estrazione liquido-liquido
Bioreattore
automatizzato e computerizzato;
Colonne
di distillazione discontinue.
Contenuti e obiettivi
disciplinari dei moduli
1 Controllo automatico
1.1 Contenuti
• Caratteristiche dei processi: autoequilibrio, caratteristica statica e dinamica,
carico, ricettivita, resistenza, tempo morto.
• Comportamento dinamico dei
processi: tipologie delle risposte, guadagno, risposte dei processi in relazione al loro ordine ad un segnale a gradino,
costante di tempo.
• I regolatori: regolatori
analogici e digitali, moderni sistemi di controllo automatico.
• I regolatori
continui; I'azione proporzionale, derivativa,
integrale, regolatori ad azione P, PD, PI, PID.
• II processo regolato in
retroazione: generalità sui criteri di valutazione della regolazione, offset e
reset, scelta dell'azione del regolatore in relazione alle
caratteristiche del processo, taratura del regolatore secondo Ziegler e Nichols.
• Altre
tipologie di regolazione: regolazione in cascata, in avanti, a comando, di
rapporto.
• Esercitazioni con software di simulazione: comportamento dei regolatori, operazione di
reset, tuning del regolatore.
• Esercitazioni con impianto pilota: utilizzo del controllore digitate, tuning automatico.
1.2
Obiettivi specifici
• Saper descrivere:
gli aspetti funzionali dei componenti di un anello di
regolazione;
l'andamento delle risposte di processi e regolatori;
le caratteristiche funzionali dei processi e delle varie
tipologie di regolazione.
• Saper rappresentare con la
corretta simbologia gli anelli di regolazione.
• Saper applicare:
le equazioni dei regolatori continui ad azione proporzionale, integrale, derivativa;
i criteri di Ziegler e Nichols per il tuning del
regolatore.
• Saper intervenire sui principali
parametri di un regolatore ad anello singolo.
1.3 Tempi
33 ore
1.4
Metodologie
• Lezione frontale (50%)
• Lezione interattiva (30%)
• Esperienze di laboratorio (20%)
1.5
Valutazione
• Quesiti a risposta breve
• Quesiti a risposta chiusa
• Prova orale
• Relazione
2. Operazioni
a stadi. Distillazione
2.1 Contenuti
• Equilibrio liquido/vapore
Tensione
di vapore delle sostanze pure, legge di Clausius-Clapeyron.
Sistemi ideali a due componenti completamente
miscibili: leggi di Raoult e di Dalton,
diagrammi tensione di vapore/ concentrazione, diagrammi di equilibrio liquido -
vapore, curve di ebollizione e di rugiada, volatilità relativa, costruzione dei
diagrammi relativi.
Sistemi
reali a due componenti completamente miscibili: curve
tensione di vapore/temperatura; miscele azeotropiche:
generalità, diagrammi di equilibrio liquido-vapore, curve di ebollizione e di rugiada.
• Rettifica continua:
Principio di funzionamento di una colonna a piatti,
concetto di riflusso e rapporto di riflusso. Determinazione del numero teorico dei piatti con il
metodo di McCabe e Thiele:
ipotesi del flusso
molare costante, rette di lavoro superiore e inferiore, parametro "q"
e retta "q", costruzione della spezzata che da il numero teorico dei
piatti; efficienza dei piatti ed equazione di Murphree,
numero effettivo dei piatti; determinazione del riflusso minimo, riflusso
massimo, fattori che determinano il riflusso economicamente più conveniente.
Bilancio di materia e di calore della colonna, superficie di scambio del ribollitore di coda e del condensatore di testa.
Piatti
a campanelle, a valvole e forati (generalità); fattori che influenzano il
corretto funzionamento dei piatti, diagramma di stabilita (diagramma
di Young). Generalità sulle colonne a riempimento.
Diametro
della colonna e velocità dei vapori. Schemi di processo e di
regolazione, secondo Ie norme UNICHIM.
• Altri metodi di distillazione
Distillazione
d'equilibrio: generalità, bilancio di materia di sistemi bicomponenti.
Rettifica
discontinua: funzionamento a riflusso costante e a composizione costante (generalità).
Sistemi
immiscibili: distillazione in corrente di vapore,
diagrammi di Hausbrand.
Strippaggio: finalità dell'operazione,
interconversione tra le concentrazioni in "frazione" e in "rapporto",
costruzione della curva d'equilibrio e
della retta di lavoro, calcolo grafico del numero degli stadi teorici, schema
di processo.
Distillazione
estrattiva e azeotropica: principi ed esempi
d'applicazione.
• Schemi di
processo e di regolazione per le varie tipologie di distillazione, secondo le
norme UNICHIM.
• Laboratorio
Calcolo dei dati
d'equilibrio e costruzione dei relativi diagrammi con il foglio elettronico.
Esperienze di conduzione di
distillazioni discontinue.
2.2 Obiettivi specifici
• Saper descrivere:
1.
le leggi che governano I'equilibrio
liquido-vapore di miscele binarie ideali;
2.
i diagrammi d'equilibrio liquido-vapore di miscele binarie
reali;
3.
il metodo di McCabe e Thiele per la determinazione grafica del numero di stadi
ideali
4.
relative alle operazioni di distillazione.
5.
il significato fisico delle varie rette di lavoro utilizzate
nel metodo di McCabe e Thiele;
6. l'influenza del rapporto di riflusso sul numero degli stadi;
7.
i parametri che determinano il rapporto di riflusso ottimo;
8.
le caratteristiche del piatti a campanella, a valvola,
forati;
9.
le tecniche di distillazione discontinua, estrattiva, azeotropica, in corrente di vapore.
• Saper applicare:
1.
le leggi di Clausius-Clapeyron, Roult e Dalton per il calcolo dei
dati d'equilibrio
2.
liquido-vapore di miscele binarie ideali
3.
i diagrammi di Hausbrand per la
determinazione del punto d'ebollizione di una miscela
4.
eterogenea;
5.
il metodo di McCabe e Thiele per la determinazione grafica del numero di stadi
ideali alla distillazione continua e allo stippaggio;
6.
le equazioni di bilancio di materia e d'energia alle colonne
di distillazione e alle apparecchiature ausiliarie.
• Saper tracciare ed interpretare
i vari grafici d'equilibrio liquido-vapore di miscele binarie, anche
utilizzando mezzi informatici.
• Saper interpretare i diagrammi
di funzionamento stabile dei piatti.
• Saper tracciare, utilizzando le norme UNICHIM, gli schemi di processo relativi alle tipologie di distillazione studiate, completi di regolazione automatica.
2.3 Tempi
44 ore
2.4 Metodologie
• Lezione frontale
• Lezione interattiva e problem solving
• Esperienze di laboratori
2.5 Valutazione
• Quesiti a risposta breve
• Quesiti a risposta chiusa
• Prova orale
• Prova scritto-grafica
• Relazione
3 Operazioni a stadi, Estrazione
3.1
Contenuti
• Estrazione liquido/liquido
Scopi e principali
applicazioni dell'estrazione liquido/liquido. Lo stadio d'equilibrio. Estrazione in equicorrente,
controcorrente, a correnti incrociate. L'equilibrio di
ripartizione, la legge di Nerst, costante e
coefficiente di ripartizione.
Sistemi a immiscibilità
totale. Concentrazioni in frazione e in
rapporto e loro interconversione. Estrazione a stadio singolo: bilancio del
soluto, resa e fattore d'estrazione, rapporto solvente/diluente.
Estrazione a stadi multipli a correnti incrociate:
bilancio del soluto e determinazione analitica e grafica del numero
di stadi ideali. Estrazione a stadi multipli in controcorrente: bilancio del soluto, determinazione grafica del numero di stadi
ideali (McCabe e Thiele),
costruzione della retta di lavoro, condizioni limiti.
Sistemi a miscibilità parziale. Rappresentazione
dei sistemi ternari con diagrammi a triangolo equilatero e a triangolo isoscele.
Regola della leva e dell'allineamento delle correnti e loro
impiego nel bilancio di materia dell'estrazione. Equilibrio tra due fasi
ternarie, curva binodale,
rette di coniugazione, punto piatto, curva di ripartizione. Estrazione a
singolo e a multipio stadio, in equi- e in controcorrente,
corrente netta all'interstadio e punto polare, determinazione grafica del
numero di stadi ideali, bilancio di materia.
Caratteristiche del solvente e
criteri di scelta.
Apparecchiature.
Apparecchiature a stadi, continue e discontinue. Colonne:
vuote, agitate, a piatti, a riempimento. Estrattori centrifughi.
Caratteristiche, prestazioni e campo d'impiego. Schemi di regolazione
automatica.
• Estrazione solido/liquido (lisciviazione)
Principali impieghi
dell'estrazione solido/liquido, meccanismo, fattori che la influenzano. Diagrammi
ternari e bilancio di materia, regola della leva. Lo stadio
ideale nell'estrazione solido/liquido.
Estrazione a singolo e a multiplo stadio, a correnti incrociate e in controcorrente, corrente netta all'interstadio e punto polare, determinazione grafica del numero di stadi ideali, bilancio di materia.
Apparecchiature.
Estrattori a percolazione, continui e discontinui. Estrattori a dispersione,
miscelatori-decantatori, estrattori differenziali. Caratteristiche, prestazioni
e campo d'impiego. Schemi di processo.
• Estrazione con solventi supercritici. Caratteristiche
dei fluidi in condizioni supercritiche, principali solventi utilizzati, tipiche
applicazioni, schemi di processo.
• Laboratorio
Estrazione di una miscela acido
acetico - toluene con acqua. Conduzione dell'operazione con
diversi rapporti solvente/diluente, determinazione dell'acido acetico nei
campioni, calcolo del numero di stadi ideali a partire dei dati
d'equilibrio di letteratura.
3.2
Obiettivi specifici
• Saper descrivere:
1.
I principi
dell'estrazione
2.
Le principali
applicazioni industriali
3.
I parametri operativi
e la loro influenza sull'operazione
4.
Le principali
apparecchiature industriali utilizzate nell'estrazione
5.
I criteri di scelta
del solvente;
6. L'estrazione con solventi in condizioni supercritiche
7.
I criteri di
regolazione di una colonna d'estrazione
• Saper
rappresentare i sistemi ternari con diagrammi a triangolo equilatero e
rettangolo isoscele.
• Saper fare i bilanci di materia relativi all'estrazione, sia analiticamente sia
graficamente.
• Saper descrivere, costruire ed
utilizzare le rette di lavoro
• Saper calcolare il numero degli
stadi ideali nell'ipotesi di contatto singolo e multiple,
sia in controcorrente sia in correnti incrociate.
• Saper condurre uno specifico
impianto pilota mantenendolo in condizioni stazionarie.
• Saper
pianificare una semplice campagna analitica per il controllo di processo,
utilizzando mezzi informatici per l'elaborazione dei dati.
• Saper tracciare, utilizzando le
norme UNICHIM, gli schemi di processo relativi alle
tipologie d'estrazione studiate, completi di regolazione automatica.
3.3 Tempi
49 ore
3.4
Metodologie
• Lezione frontale
• Lezione interattiva e problem solving guidato
• Esperienze di laboratorio
3.5 Valutazione
• Quesiti a risposta
breve e a risposta chiusa
• Prova scritta
• Prova scritto-grafica
• Relazione
4 Operazioni a stadi. Assorbimento dei gas
4.1 Contenuti
Bilancio di materia,
determinazione grafica La solubilità dei gas nei liquidi. La
legge di Henry, curve d'equilibrio. Colonne a
riempimento. del numero di stadi ideali con il metodo
di McCabe e Thiele. La
teoria del doppio film, il coefficiente di trasporto globale.
Apparecchiature e schemi di processo.
4.2
Obiettivi specifici
• Saper descrivere:
le leggi e i parametri che influenzano la solubilità dei gas
nei liquidi;
i parametri che influenzano il trasporto di materia da una
fase gassosa ad una liquida;
le caratteristiche delle principali apparecchiature
utilizzate nell'assorbimento.
• Saper determinare:
le composizioni d'equilibrio gas/liquido;
il numero di stadi ideali con il metodo grafico di McCabe e Thiele.
• Saper tracciare, utilizzando le
norme UNICHIM, gli schemi di processo relativi all'assorbimento
dei gas, completi di regolazione automatica.
4.3 Tempi
7 ore
4.4
Metodologie
• Lezione frontale
• Lezione interattiva e problem solving guidato
4.5
Valutazione
• Quesiti a risposta
breve e a risposta chiusa
• Prova scritta
• Prova scritto-grafica
5 Petrolio e petrolchimica
5.1 Contenuti
Generalità
sugli aspetti storici ed economici collegati. Generalità
sull'origine del petrolio, e sulla formazione e localizzazione dei giacimenti.
Composizione del petrolio. Caratteristiche ed impieghi
delle frazioni petrolifere.
Schema
generale di lavorazione del petrolio. Trattamenti preliminari. Distillazione atmosferica del grezzo (topping),
distillazione sotto vuoto (vacuum).
Le
benzine. II numero d'ottano e la struttura degli idrocarburi. Schema generale
di produzione delle benzine.
II cracking catalitico. Cariche, finalità, prodotti. Reazioni
implicate, aspetti termodinamici (diagramma di Francis)
e cinetici (catalizzatori, aspetti generali del meccanismo di reazione),
processo a letto fluido (FCC).
II reforming catalitico. Cariche, finalità, prodotti. Reazioni
implicate, aspetti termodinamici e cinetici (catalizzatori, processo Platforming).
Ossigenati.
II problema della sostituzione del piombo nelle benzine.
Produzione di MTBE.
Alchilazione, isomerizzazione: cariche, finalità, prodotti.
Cracking termici: visbreaking e fluid coking, cariche, finalità, prodotti, processi.
Steam cracking. Cariche, finalità, prodotti. Condizioni operative, schema a blocchi del processo.
Aromatici:
produzione e separazione
5.2 Obiettivi
specifici
• Saper descrivere:
1.
i processi di formazione dei giacimenti petroliferi e le
tecniche di localizzazione;
2.
i cicli di lavorazione del grezzo;
3. le caratteristiche e gli impieghi delle frazioni petrolifere, con specifico riferimento alle benzine;
4.
le reazioni implicate nei vari processi;
5.
gli aspetti termodinamici e cinetici dei principali processi
di conversione degli idrocarburi in relazione ai parametri operativi.
• Saper
applicare il diagramma di Francis per valutare gli
aspetti termodinamici delle reazioni tra idrocarburi.
• Saper leggere gli schemi di
processo relativi alle produzioni più rilevanti.
5.3 Tempi
15 ore
5.4 Metodologie
• Lezione frontale.
5.5 Valutazione
• Quesiti a risposta
breve
• Prova orale
6 I polimeri e i materialipolimerici
6.1 Contenuti
• Note storiche ed
andamento produttivo.
• Terminologia e nomenclatura: monomero, polimero, unita monomerica, unita ripetente, omopolimeri
e copolimeri..
• Classificazione: termoplastico, termoindurente; materie plastiche,
fibre, elastomeri
• Configurazione e struttura: polimeri lineari, ramificati, reticolati,
concatenamento testa-testa e testa-coda, polimero isotattico, sindiotattico ed atattico.
• Proprietà e struttura: energia di
coesione, flessibilità delle catene, cristallinità,
temperatura di transizione vetrosa, massa molare e grado di polimerizzazione
medi, indice di polidispersità.• Policondensazione e poliaddizione:
richiami alle caratteristiche delle reazioni, termodinamica delle polimerizzazioni,
esempi tipici di polimeri di policondensazione e poliaddizione.
• Le tecniche di polimerizzazione. in massa, in soluzione, in dispersione (in perle), in
emulsione, in fase gassosa, con precipitazione del polimero.
• Lavorazione dei materiali polimerici. Principali classi di additivi. Principali tecnologie di lavorazione di materie
plastiche, fibre, elastomeri, materiali compositi.
• Processi di polimerizzazione: uno o due
processi, a scelta dell'allievo, tra quelli riportati nel testo, eventualmente
approfonditi con stesura di tesine.
6.2 Obiettivi specifici
• Saper utilizzare
correttamente la nomenclatura ed i termini specifici.
• Saper mettere in relazione le
caratteristiche applicative con quelle strutturali.
• Saper descrivere:
1.
le caratteristiche strutturali dei polimeri
2.
le caratteristiche e i meccanismi delle reazioni di
polimerizzazione
3.
le caratteristiche delle principali tecniche di
polimerizzazione
4.
le principali tecnologie di lavorazione di materie plastiche,
fibre ed elastomeri
5.
le reazioni di sintesi e le caratteristiche applicative dei
principali polimeri
6.
i processi produttivi, le caratteristiche e le applicazioni
di alcuni polimeri
6.3 Tempi
15 ore
6.4 Metodologie
• Lezione frontale.
6.5 Valutazione
• Quesiti a risposta
breve e a risposta chiusa
• Prova scritto-grafica.
7 Biotecnologie e
processi biotecnologici
7.1 Contenuti
Principi
di biotecnologia
•
Generalità sulle biotecnologie e sui
campi d’applicazione. Operazioni e processi unitari implicati
nei processi biotecnologici. Materie prime. Sterilizzazione termica e per filtrazione, cinetica di riduzione
della carica microbica, costante di decimazione.
•
Cinetica di crescita batterica, legge di
Monod.
•
Chemostato
e turbidostato, substrato limitante. Bilanci di materia nel fermentatore continuo allo stato stazionario.
Bilanci e resa nel substrato e nel prodotto, tasso di consumo
d’ossigeno, OUR.
•
Fermentatori continui e discontinui, principali
parametri di controllo.
Processi
biotecnologici
·
Bioetanolo:
microrganismi e vie metaboliche, materie prime, schema di processo. Confronto con la produzione per via chimica.
·
Antibiotici: generalità. Penicillina G: microrganismi, materie prime, processo produttivo.
·
Depurazione delle acque. Parametri
caratteristici degli scarichi civili. Il trattamento a fanghi
attivi: schema di processo, caratteristica della biomassa.
Parametri di dimensionamento della vasca di aerazione,
produzione del fango, potenza dell'aeratore. Problemi d'esercizio: il bulking. La denitrificazione e il
problema dell'eutrofia.
·
Il trattamento dei fanghi di supero. Stabilizzazione per digestione anaerobica: microrganismi, reazioni,
condizioni operative, produzione di biogas.
7.2 Obiettivi Specifici
Saper descrivere:
1.
i principali campi d'applicazione delle biotecnologie;
2.
le operazioni unitarie implicate nei processi biotecnologici;
3.
la cinetica di crescita batterica secondo Monod;
4.
i parametri per il controllo di un fermentatore;
5.
le caratteristiche dei principali tipi di fermentatori;
6.
gli aspetti tecnologici della produzione di bioetanolo e penicillina G;
7.
i principali parametri che caratterizzano l'inquinamento
delle acque reflue;
8.
i principi di funzionamento del trattamento a fanghi attivi
ed i principali parametri che caratterizzano tale processo;
9.
le principali tecniche impiegate per lo smaltimento dei
fanghi di supero;
10. i
principi di funzionamento della digestione anaerobica per la produzione di biogas.
11. Saper applicare:
12. le
equazioni di bilancio di materia ad un fermentatore tipo CSTR in regime
stazionario;
13. le
equazioni per il dimensionamento di massima delle vasche di aerazione per il
trattamento a fanghi attivi.
Saper tracciare semplici schemi di processo relativi ai processi studiati.
7.3 Tempi
36 ore
7.4 Metodologie
•
Lezione frontale
•
Problem solving guidato
•
Visita tecnica
7.5 Valutazione
•
Prove scritte e
scritto-grafiche.
•
Quesiti a risposta
breve.
•
Relazione.