“A.Avogadro” Abbadia S.Salvatore

IIS “A.Avogadro” Abbadia S.Salvatore Materia: - Tecnologie Chimiche Industriali, Principi di automazione e Organizzazione Industriale Classe 4a A Anno Scolastico 2014/2015 Libri di testo in adozione: Tecnologie chimiche industriali di S. Natoli e M. Calatozzolo ed. EDISCO (Vol. II°) Fondamenti di Chimica-Fisica di S. Pasquetto e L. Patrone ed. ZANICHELLI (Vol. Unico)

Aree tematiche CONTENUTI parte Teorica MODULO 1 : Termodinamica Chimica MODULO 2 : Il Trasporto dei gas MODULO 3 : Bilancio materiale ed energetico MODULO 4 : Trasmissione e scambio di calore MODULO 5 : Le operazioni unitarie di evaporazione e cristallizzazione MODULO 6 : Il processo di essiccamento e l’igrometria MODULO 7: I processi industriali CONTENUTI parte Scritto-Grafica MODULO 8 : Il disegno di impianti chimici CONTENUTI parte Teorica MODULO 1: Termodinamica Chimica U.D.1.1 : I sistemi termodinamici Introduzione alla termodinamica. Concetto di calore e lavoro e loro equivalenza. Sistema, contorno ed ambiente. Variabili e funzioni di stato. Sistemi a due e tre variabili. Trasformazioni aperte e chiuse. Convenzione dei segni. Il principio zero della termodinamica. U.D.1.2 : Il primo principio della termodinamica Equivalenza tra calore e lavoro. Concetto di energia interna e sue proprietà. Definizione del I° principio della termodinamica. Calore e lavoro come funzioni di percorso. Processi reversibili e irreversibili. Calore specifico e capacità termica. Calore specifico a volume costante (cv) e a pressione costante (cp) e relazione tra i due. Applicazione del I° principio della termodinamica alle trasformazioni isocora, isobara, isoterma e adiabatica. L’entalpia: definizione e proprietà caratteristiche. Diagrammi P-V per i vari tipi di trasformazioni U.D.1.3 : Il secondo e il terzo principio della termodinamica Validità e limiti del I° principio della termodinamica e introduzione al II° principio. Le macchine termiche motrici, frigorifere e le pompe di calore: schematizzazione, principio di funzionamento, esempi e rendimento. Enunciati di Clausius e Kelvin. Il ciclo di Carnot. Considerazioni sul rendimento di una macchina termodinamica. L’uguaglianza di Clausius e l’entropia. Caratteristiche 1

e significato dell’entropia. L’entropia nelle trasformazioni isocore, isobare, isoterme, adiabatiche, reversibili e irreversibili. Il terzo principio della termodinamica. U.D.1.4 : L’energia libera e gli equilibri chimici L’energia libera. Definizione, caratteristiche, espressione e significato. Relazione tra energia libera, entalpia ed entropia in una reazione. Variazione dell’energia libera standard in una reazione. Equazione di Vant’Hoff. Importanza della funzione energia libera, isobara di Vant’Hoff e suo significato. II° MODULO: Il trasporto dei gas U.D.2.1 : Mezzi di trasporto dei gas Macchine pneumofore e il lavoro di compressione. Apparecchiature per il trasporto di aeriformi: generalità e classificazione ( ventilatori e compressori). I ventilatori: classificazione, tipi ed usi I compressori: classificazione, tipi ed usi. Apparecchiature per il vuoto (pompe ad anello liquido ed eiettori). Apparecchiature ausiliarie negli impianti sottovuoto (condensatori a miscela). III° MODULO: Bilancio materiale ed energetico U.D.3.1 : Equazioni di bilancio e di trasferimento Equazioni di bilancio di materia e di energia nei processi chimici in relazione ai principi di conservazione. Processi continui e discontinui. Concetto di stato stazionario, transitorio e di accumulo materiale ed energetico. Contenuto termico di una corrente ed equazione relativa di scambio termico. Bilanci di energia in sistemi aperti di tipo fisico. Contenuto termico di una massa o di un flusso in ingresso e/o uscita dal sistema. Equazioni di trasferimento e di bilancio termico. Contenuto termico di una miscela. IV° MODULO: Trasmissione e scambio di calore U.D.4.1 : La trasmissione del calore Generalità sulla trasmissione del calore. Trasmissione del calore per conduzione ed equazione di Fourier (parete piana e parete cilindrica, mono e multistrato). La convezione: tipi, applicazioni ed equazione di trasferimento. Il coefficiente di pellicola e il suo significato. L’irraggiamento. L’isolamento termico. Trasmissione di calore fra 2 fluidi separati da una parete, in stato di quiete e in movimento. U.D.4.2 : Lo scambio di calore Generalità sugli scambiatori di calore. Tipi principali di scambiatori: refrigeranti a pioggia, scambiatori a fascio tubiero, scambiatori a piastre, a pioggia, condensatori a miscela e a superficie, evaporatori, scambiatori a tubi alettati, ribollitori (di tutti: principio di funzionamento, caratteristiche, tipi ed usi). Dimensionamento ed esercitazioni. Il controllo della temperatura negli scambiatori di calore. Scambiatori a doppio tubo. Scambio di calore in equi e in controcorrente: profili termici, calcolo del Tmlog, applicazioni, vantaggi e svantaggi. Condensazione a goccia e a film. Il coefficiente di trasferimento globale. I fattori di sporcamento. Fluidi lato “tubo” e fluidi “lato shell” e loro criteri di scelta. Il controllo di temperatura negli scambiatori. U.D.4.3 : Generazione e distribuzione del calore Produzione del calore e combustibili (classificazione, reazioni di combustione, PCI e PCS). Distribuzione del calore. Vapor acqueo. Fluidi usati per il trasferimento dell’energia termica. V° MODULO: Le operazioni unitarie di evaporazione e di cristallizzazione 2

U.D.5.1 : L’evaporazione Il concetto di operazione unitaria. Aspetti generali della concentrazione e applicazioni industriali. Trasferimento di calore tra vapore di rete e soluzione. Problemi energetici connessi all’evaporazione. Effetti ebullioscopici nelle soluzioni acquose e concetto di IPE. Diagramma di Dhuring e suo uso. Il bilancio di materia e di energia negli evaporatori. Equazione di trasferimento per il calcolo della superficie evaporante. Bilancio termico al condensatore e funzionamento del condensatore barometrico. I controlli e le regolazioni di processo negli impianti di evaporazione. Descrizione ed usi dei più comuni tipi di evaporatori U.D.5.2 : Tecniche di evaporazione Schemi operativi per l’evaporazione: evaporazione a semplice e a multiplo effetto, in equi e controcorrente (descrizione dell’impianto e applicazioni). Bilanci di materia e di energia negli impianti a multiplo effetto. Evaporazione per termocompressione. Apparecchiature accessorie negli impianti di evaporazione. Controlli e regolazioni di processo. U.D.5.3 : La cristallizzazione Generalità sulla cristallizzazione: solubilità e temperatura, concetto di Kps, meccanismo della cristallizzazione e fattori influenzanti. Fenomeno dell’impaccamento. Cristallizzatori: struttura, principio di funzionamento e schemi di processo relativi. Controlli e regolazioni di processo. VI° MODULO: Il processo di Essiccamento U.D.6.1 : L’essiccamento Generalità e principi chimico-fisici che regolano l’essiccamento: grado di secchezza dei solidi e fattori che influenzano l’essiccamento. Velocità di essiccamento: modi per realizzare l’essiccamento e il trasferimento del calore al solido da essiccare. Le apparecchiature per l’essiccamento: tipi, usi, caratteristiche. Bilanci di materia ed energia sul processo di essiccamento (monostadio). Controlli e regolazioni di un impianto di essiccamento. U.D.6.2 : L’igrometria Igrometria dell’aria. Concetto di umidità assoluta, di saturazione, relativa, volume specifico, calore specifico ed entalpia dell’aria umida. Temperature caratteristiche: temperatura di rugiada, temperatura a bulbo secco e temperatura a bulbo umido. Diagramma igrometrico del sistema aria acqua e suo utilizzo. VII° MODULO: I processi industriali U.D.7.1 : Le produzioni di importanti prodotti chimici Produzione del saccarosio e sintesi dell’ammoniaca. SONO STATI INOLTRE SVOLTI ESERCIZI DI CALCOLO, (soprattutto relativamente a bilanci di materia ed energia su un intero impianto o su singole apparecchiature di questo), LA’ DOVE PREVISTO DALLE VARIE UNITA’ DIDATTICHE TRATTATE.

CONTENUTI parte Scritto-Grafica VIII° MODULO: Progettazione e disegno di impianti chimici

3

Le esercitazioni grafiche hanno avuto la funzione di introdurre prima, e di approfondire dopo, le conoscenze degli alunni verso la realizzazione pratica di impianti industriali di: -

reazione tra due componenti organici a diversa densità reazione tra due solidi in soluzione acquosa idrogenazione catalitica di un olio vegetale scambio termico tra fluidi in movimento (N° 2 progetti) filtrazione sottovuoto evaporazione a singolo effetto evaporazione a duplice effetto in controcorrente cristallizzazione ed essiccamento

Tutti i progetti, intesi come schemi di processo, sono stati realizzati secondo normativa UNICHIM

Abbadia S.Salvatore lì 04/06/2015 Gli insegnanti Prof. Cristina Vegni Prof. Claudio Fabbrini

4