Reattori chimici e biologici

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1 Università degli Studi di Cagliari Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica SSD di Appartenenza ING-IND/24 Principi di Ingegneria Chimica Codifica dell Ateneo Tipologia Integrato (Si/No) Anno di corso Semestre/trimestre Numero di crediti 9 Caratterizzante Primo Primo Programma del corso Reattori chimici e biologici Nome, qualifica e Alberto Cincotti curriculum Nato a Cagliari il 08/06/1969, ha conseguito la maturità presso il Liceo Scientifico scientifico del Michelangelo di Cagliari. Si è laureato con lode in Ingegneria Chimica presso l'università di docente Cagliari nel Ha conseguito il titolo di Dottore di Ricerca in Ingegneria Chimica presso l'università di Pisa nel Ha lavorato come ingegnere di controllo di processo presso la Società Sartec (Saras Tecnologie) con sede in Macchiareddu (CA) dal 1998 al 1999, prestando il proprio servizio presso la Raffineria Saras (Sarroch, Cagliari). Dal 1999 al 2000 ha lavorato come ricercatore, assunto con contratto a tempo indeterminato, presso il CRS4 - Centro di Ricerca e Studi Superiori in Sardegna (Macchiareddu, Cagliari). E' stato successivamente Assegnista di Ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Materiali dell Università di Cagliari dal 2000 al Dal 2002 è ricercatore del raggruppamento concorsuale Principi di Ingegneria Chimica presso l'università di Cagliari. E' stato "visiting scholar" presso il Department of Chemical Engineering, University of Virginia (Charlottesville, USA) da Marzo a Luglio E' stato "visiting scholar" presso il Department of Chemical Engineering and Materials Science, University of California (Davis, USA) da Settembre a Dicembre 2003, usufruendo di una borsa di studio CNR (Bando n del 26/02/2002). E' stato "visiting scholar" presso il Center of Life and Food Sciences Weihenstephan, Process Systems Engineering, della Technischen Universitaet Muenchen (Freising, Germania) da Luglio a Agosto 2010, usufruendo di una borsa di Studio DAAD (Deutscher Akademischer Austausch Dienst, Servizio Tedesco per lo Scambio Accademico). All'università di Cagliari, dall'aa all'aa e' stato supplente del corso di Cinetica Chimica (Laurea in Ing. Chimica), mentre dall'aa all'aa e' stato supplente del corso di Principi di Ingegneria Chimica Ambientale (Laurea in Ing. Ambientale). Successivamente, sempre all'università di Cagliari, nell'aa è stato supplente del corso di Reattori Chimici Non Ideali (Laurea Magistrale in Ing. Chimica), mentre nell'aa è stato supplente del corso di Ingegneria delle Reazioni Chimiche (Laurea Magistrale in Ing. Chimica). Infine, dall'aa è attualmente supplente del corso di Reattori Chimici e Biologici (Laurea Magistrale in Ing. Chimica) e del corso di Bioingegneria Industriale (Laurea in Biotecnologie Industriali). I suoi interessi di ricerca riguardano la cinetica, la reattoristica e i fenomeni di trasporto in sistemi multifase chimici e biologici, con particolare riferimento a espansione, differenziazione e crioconservazione di cellule staminali, sistemi di adsorbimento e scambio ionico di metalli pesanti e composti organici su materiali sintetici e naturali (clinoptilolite), reazioni gas-liquido (ossidazione di p-xilene ad acido tereftalico), sintesi di materiali innovativi (tecniche avanzate di sintesi di materiali innovativi quali Self-propagating Hightemperature Synthesis SHS, Field Assisted Combustion Synthesis FACS, e Spark Plasma Sintering/Synthesis SPS). E' coautore di circa 40 pubblicazioni su riviste specialistiche nazionali ed internazionali, e circa 80 presentazioni a convegni nazionali ed internazionali.

2 Obiettivi formativi: Conoscenza risultati d apprendimento Delle apparecchiature e dispositivi di reazione per sistemi di laboratorio e industriali, della previsti e competenze influenza delle condizioni operative e dei diversi sistemi di contatto nella perfomance dei da acquisire reattori chimici e biologici e di come tenerne conto in fase di progettazione. Capacità di comprensione Delle specifiche industriali dei reattori chimici. Effetto e importanza delle grandezze coinvolte nei dispositivi di reazione. Capacità di applicare le conoscenze e la comprensione alla progettazione e alla verifica di sistemi di reazione siano essi omogenei che pseudoomogenei, alla individuazione di condizioni ottimali per la conduzione del processo reattivo. Espressione di giudizi Sull impatto di diverse alternative progettuali, sull opportunità di applicare tecniche di intensificazione di processo. Abilità nella comunicazione dei risultati e delle scelte progettuali, individuazione degli strumenti adeguati ai destinatari e redazione dei progetti secondo standard internazionali. Capacità di studio analisi di testi e pubblicazioni tecniche e scientifiche sugli argomenti del corso, capacità di analisi delle fonti a diversi livelli, utilizzo di differenti fonti di informazione per un aggiornamento continuo.

3 Testi di riferimento Metodi didattici Modalità di frequenza Metodi di valutazione Lingua di insegnamento Prerequisiti Scott Fogler Elements of Chemical Reaction Engineering Prentice Hall Levenspiel Chemical Reaction Engineering J. Wiley Himmelblau & Bishoff Process Analysis and Simulation - J. Wiley Froment & Bishoff Chemical Reactor Analysis and Design J. Wiley Carberry Chemical and Catalytic Reaction Engineering McGraw Hill Krantz Scaling Analysis in Modeling Transport and Reaction Processes J. Wiley Euzen, Trambouze, Wauqier Scale-up Methodology for Chemical Processes Technip Lezione frontale, Esercitazione guidata in aula Facoltativa Prova scritta e Prova Orale Italiano Equilibri fase, grandezze termodinamiche Concetto di sistema in equilibrio Sistema ideale e deviazioni dall idealità Viscosità, Densità e loro dipendenza dalle grandezze fisiche Fenomeni di trasporto Bilanci macroscopici e microscopici di materia, energia e quantità di moto Leggi fenomenologiche flusso/gradiente Coefficienti di trasferimento Gruppi e correlazioni adimensionali Perdite di carico Ingegneria delle Reazioni Chimiche Cinetica di reazione Progetto e Verifica di reattori ideali e loro combinazioni Analisi Matematica Risoluzione di sistemi di equazione algebriche lineari Risoluzione di equazioni differenziali ordinarie Risoluzione di equazioni differenziali parziali Analisi Numerica Risoluzione di sistemi di equazione algebriche non lineari, differenziali ordinarie e differenziali parziali

4 Contenuti del corso Lez. Eserc. Richiamo di Ingegneria delle Reazioni Chimiche e Cinetica e Reattoristica Biologiche - Reattoristica chimica: reattori continui, discontinui, stato stazionario, bilancio di materia, bilancio di moli, reattore Batch, sistemi omo- ed etero-genei, legge cinetica, power law, legge di Arrhenius, reazioni irreversibili, reazioni elementari e non - Cinetica chimica: reagente limitante, conversione di reazione, bilanci di reattori in termini di conversione, tabella stechiometrica a volume e portata volumetrica costanti o variabili, analisi dei dati cinetici per singola reazione (metodo integrale e differenziale), reazioni non-elementari, approssimazione dello stadio lento e intermedio stazionario, reazioni catalitiche (Langmuir- Hinshelwood) - Cinetica biologica, reazioni enzimatiche (Michaelis-Menten), Inibizione enzimatica (competitiva, a-competitiva e non-competitiva), legge di Monod, fasi di crescita di microorganismi in sistemi Batch, inibizione da eccesso di substrato (Haldane), inibizione da prodotto. - Reattoristica biologica: Wash- Out in reattore CSTR, sistema a fanghi attivi (CSTR con riciclo e ispessitore), espressioni cinetiche per metaboliti primari e secondari, bilancio di ossigeno per sistemi di aereazione (legge di Fick per trasporto e Henry per equilibrio gas-liquido) Reattori Chimici Ideali Non Isotermi - Il bilancio di energia Termica (derivazione dal bilancio di energia Totale vs scrittura diretta con principali semplificazioni); accoppiamento con il bilancio di Materia nella reattoristica: ipotesi semplificative. Il bilancio di Energia Termica nel reattore a Perfetto Mescolamento: Stato stazionario e Stato Dinamico. Il bilancio di Energia Termica nel Reattore a Perfetto Mescolamento: Entalpia di Reazione e sua dipendenza dalla Temperatura; il calore specifico a pressione costante; Il bilancio di Energia Termica nel reattore con Flusso a Pistone: Stato stazionario e Stato Dinamico. - Reattori non adiabatici e Risoluzione di problema

5 di progetto e verifica per reattori: Espressione matematica dello scambio di calore: Definizione di coefficiente di scambio termico globale, somma di resistenze in serie. Risoluzione di progetto e verifica per reattori non isotermi ma isobari a perfetto mescolamento o flusso a pistone, adiabatici e non adiabatici; accoppiamento del bilancio di energia termica con il bilancio di materia nel caso di reazioni singole e multiple. - Reattori non isotermi e non isobari. Il caso delle reazioni reversibili: definizione di conversione all'equilibrio per reazione singola reversibile; CSTRs in serie con interstage di cooling/heating, Temperatura ottimale in alimentazione per reazione esotermica; Molteplicità stati stazionari in CSTR, curva di ignizione/spegnimento. Sistema di reazione non isobaro. Equazione di Ergunn. stabilità e runaway, formazione di hot spots, analisi dei sistemi con combinazioni di reattori in serie e in parallelo Analisi dei difetti fluodinamici e Reattori non ideali omogenei - Analisi della distribuzione dei tempi di permanenza (RTD), Difetti fluodinamici dei reattori ideali; Prova a impulso e a gradino per la determinazione della RTD; utilizzo dell'analisi RTD per la diagnosi di reattori reali e loro rappresentazione come deviazione da reattori ideali. Legami fra le funzioni di distribuzione E, F, I e Lambda usate nelle analisi della RTD; Funzioni di distribuzione in forma adimensionale; Difetti fluodinamici in termini di funzioni di distribuzione E, F, I e Lambda - Reattori non ideali: Macromixing e Micromixing; Modelli a zero parametri: Modello di Segregazione e cenni su Modello di Massimo Mescolamento. Estensione Modello di segregazione al caso di reazioni non elementari, reazioni multiple e sistema non-isotermo (adiabatico); Cenni ai modelli a 1 parametro: modello di reattore con Bypass o modello di reattore con Dead Volume per CSTR e PFR. Modelli di reattori reali a 1 parametro: ncstr in serie e Dispersione assiale (condizioni al contorno di Danckwerts). Modelli di reattori reali a 2 parametri. Totale ore: