Tecnologie Chimiche Industriali Classe V E Anno Scolastico 2016 / 2017 prof.ssa Tiziana De Lucia / prof.ssa Susanna Zoboli

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1 Tecnologie Chimiche Industriali Classe V E Anno Scolastico 2016 / 2017 prof.ssa Tiziana De Lucia / prof.ssa Susanna Zoboli Finalità Il programma triennale di Tecnologie Chimiche Industriali riguarda lo studio della chimica con un approccio impiantistico ed industriale; finalità principale di questa disciplina sono la progettazione e la comprensione di impianti industriali in grado di produrre sostanze chimiche o di trattare rifiuti di varia matrice, con uno sguardo principalmente rivolto alle acque. In particolare si studiano: le basi scientifiche correlate alle principali operazioni unitarie dell industria chimica, creando collegamenti fra le varie branche della Chimica, in particolare Chimica Fisica e Chimica Organica le principali tecniche di separazione impiegate in campo industriale (distillazione, assorbimento, stripping ed estrazione), tutti processi accomunati da un susseguirsi di stadi di equilibrio le apparecchiature industriali più comuni, attraverso una loro descrizione e l analisi degli aspetti più caratteristici la realizzazione di processi industriali, mediante lo studio della termodinamica e della cinetica di reazione, dello schema dell impianto industriale, con relative scelte operative in termini di materie prime impiegate e studio dell impatto ambientale i principi di automazione e regolazione delle apparecchiature e degli impianti analizzati Obiettivi specifici Obiettivi disciplinari previsti in termini di: Conoscenze Principi fondanti delle più significative operazioni unitarie della chimica industriale Bilanci di materia ed energia applicati alle operazioni unitarie studiate Caratteristiche costruttive e di esercizio delle apparecchiature stesse Problematiche connesse alla realizzazione di un processo chimico a livello industriale (aspetti termodinamici e cinetici, scelta delle materie prime, scelte impiantistiche e impatto ambientale) Consolidamento di un linguaggio tecnico e scientifico appropriato Alcune significative produzioni industriali Competenze Risolvere bilanci di materia ed energia necessari al dimensionamento di massima delle apparecchiature impiegate nelle operazioni unitarie della chimica industriale studiate, mediante la risoluzione di esercizi numerici Saper raccogliere dati ed interpretare grafici e tabelle Inserirsi con adeguate competenze nell'industria chimica e operare con diversi gradi responsabilità nell'ambito della produzione, fornendo corretti elementi di valutazione sugli aspetti chimici, chimico fisici, economici ed impiantistici di un processo chimico Interpretare e realizzare lo schema di un processo chimico, valutando l'efficacia di un sistema di regolazioni automatiche Partecipare a lavori di equipe nella progettazione di apparecchiature industriali Comunicare, con proprietà di linguaggio tecnico, con gli specialisti di informatica ed automazione. Capacità Saper ipotizzare e valutare scelte impiantistiche e di esercizio economicamente vantaggiose, ad esempio in termini di recupero di calore Saper individuare connessioni interdisciplinari (aspetti chimico-fisico, chimico- analitico, economico) Cogliere gli aspetti legati alla salvaguardia ambientale e scegliere l approccio che riduce l impatto ambientale 1

2 Conoscenze, competenze e capacità minime Conoscere gli essenziali aspetti teorici delle operazioni unitarie e dei processi studiati Saper fare bilanci di materia e di energia Saper interpretare correttamente grafici e tabelle Saper predisporre semplici schemi d impianto Metodologie didattiche Come specificato nel documento di programmazione annuale disciplinare, allo scopo di stimolare una continua attenzione e favorire ciascun stile cognitivo, si cercherà di diversificare quanto più possibile le proposte didattiche. Pur utilizzando prevalentemente lezioni frontali, sarà dato ampio spazio alla esecuzione di esercizi (individuali o in piccoli gruppi, per favorire uno scambio e l apprendimento tra pari), verifiche formative, utilizzo di strumenti audiovisivi, partecipazione a progetti, visite di istruzione, conferenze. Per quanto riguarda la compresenza, per motivazioni analoghe si è giunti alle attuali due ore. L insegnante tecnico pratico affianca il docente nelle lezioni e nelle esercitazioni pratiche. In particolare, durante tali ore si prosegue il lavoro relativo alla stesura degli schemi di processo strumentali iniziato l anno precedente, con relativi controlli, completando quindi sia lo studio delle principali operazioni unitarie che quello relativo al controllo automatico ed alla regolazione dei processi. Si tenterà di dar modo agli studenti di misurarsi autonomamente con semplici problemi di progetto. Queste lezioni sono tenute dall insegnante tecnico pratico in accordo e in collaborazione con l insegnante di teoria. Gli schemi grafici degli impianti chimici vengono svolti dagli studenti in parte in classe e in parte a casa; vengono corretti successivamente in classe nelle ore tecnico pratiche. Un ultimo argomento tecnico pratico previsto è quello relativo ai controlli degli impianti chimici: viene svolto esaminando i possibili sistemi di controllo automatico e la loro applicazione alle operazioni unitarie previste nel programma. Non essendo disponibile una dotazione di laboratorio per le esperienze pratiche, questa parte del programma viene svolta dall insegnante tecnico pratico in classe con lezioni frontali. Strumenti di lavoro Per tutti gli argomenti svolti il testo di riferimento è Tecnologie Chimiche Industriali S. Natoli e M. Calatozzolo EDISCO Vol. III Gli argomenti CLIL sono affrontati utilizzando invece il testo Environmental Science Biozone, Zanichelli ed altre risorse fornite dall insegnante. Per quanto riguarda il disegno degli impianti chimici si utilizza una dispensa ad uso interno all Istituto. Verifiche e valutazioni L insegnamento di Tecnologie Chimiche prevede una valutazione scritto-grafica e una orale nel corso del primo quadrimestre. Parte delle lezioni saranno affrontate con metodologia CLIL; si cercherà, compatibilmente con i tempi necessari, di studiare gli elementi basilari di ciascuna delle operazioni unitarie trattate (distillazione, assorbimento e stripping, estrazione con solvente) e di analizzare i diversi argomenti della chimica industriale (albero della chimica, petrolio, polimeri, biotecnologie). Le verifiche saranno effettuate sui vari moduli che compongono il programma, comprese le parti affrontate con il metodo CLIL; saranno indicativamente due per la valutazione orale e tre per la valutazione scritto-grafica. È possibile inoltre lo svolgimento di verifiche scritte valide per l orale; resta comunque fissata la possibilità di recuperare le insufficienze mediante interrogazioni in date concordate. Le verifiche scritte sono prevalentemente costituite da esercizi di calcolo e da schemi grafici relativi operazioni unitarie studiate nella parte teorica. Coerentemente con quanto indicato nel Documento di programmazione del Dipartimento di Chimica, anche le verifiche di teoria potranno essere costituite da questionari scritti a risposta aperta o test a risposta multipla. 2

3 Per quanto riguarda la parte grafica sono previste verifiche e/o simulazioni d'esame per molti degli argomenti trattati; sono inoltre previste esercitazioni a casa soltanto per i processi più complessi (rettifica continua, assorbimento e stripping combinati, produzione e separazione antibiotico, produzione di biogas in impianto monostadio, se non fatta come verifica). Le valutazioni dei disegni assegnati agli studenti da svolgere a casa concorrono alla formulazione del giudizio finale, ma verranno considerate alla pari di quelle delle altre verifiche scritte solo quando i disegni siano stati svolti come compiti in classe. Si prevedono inoltre prove di simulazione della seconda prova dell Esame di Stato, volte a valutare contemporaneamente la risposta ad un quesito o la risoluzione di esercizi e la stesura di schemi di processo. Tali simulazioni concorreranno alla valutazione finale, ma avranno soprattutto lo scopo di aiutare gli studenti a misurarsi con una prova particolarmente articolata che avrà la durata di tre / quattro ore, in funzione della tipologia di prova e del numero di ore reso disponibile dai colleghi del Consiglio di Classe. Come griglia di valutazione si adotta quella riportata nel Documento di programmazione della disciplina di Tecnologie Chimiche, del quale si adottano anche gli obiettivi cognitivi minimi. Contenuti Il corso di Tecnologie Chimiche Industriali del quinto anno completa lo studio delle operazioni unitarie iniziate negli anni precedenti. In particolare si prendono in esame i processi di separazione caratterizzati da una successione di stadi di equilibrio come elemento di separazione e continuità del processo stesso. Vengono inoltre studiate le applicazioni industriali e gli impianti chimici correlati alle principali operazioni unitarie di seguito elencati: per quanto riguarda la distillazione, l assorbimento e lo stripping (svolta risolvendo il calcolo e dimensionamento delle apparecchiature) si prendono in esame le operazioni e i processi unitari nell industria petrolifera e petrolchimica, volti all ottenimento di alcuni importanti building block e intermedi della chimica. In particolare nello studio della distillazione si svolgeranno i bilanci di materia e di energia relativamente alla sola rettifica, mentre per gli altri tipi di distillazione viene data solo una descrizione qualitativa, corredata da uno o due esempi di calcolo. la parte impiantistica relativa alla estrazione con solventi (svolta risolvendo il calcolo e dimensionamento delle apparecchiature) sarebbe collegata alla produzione del saccarosio. Questo argomento è previsto nei programmi ministeriali pre-riforma della classe quarta; non essendo stato svolto lo scorso anno a causa del taglio delle ore (da cinque a quattro) si ritiene di dover valutare in itinere se e come affrontare tale studio, compatibilmente con il tempo a disposizione quest anno e tenendo conto delle esigenze relative alla preparazione all esame di Stato. Infine il corso di Tecnologie Chimiche Industriali affronta i problemi industriali legati all uso delle biotecnologie; questa parte del programma viene trattata dapprima sotto gli aspetti generali impiantistici e successivamente mediante la discussione di alcuni esempi (produzione di bioetanolo e di antibiotici, depurazione delle acque, smaltimento dei fanghi, produzione di biogas). Per le biotecnologie industriali si ritiene di non affrontare il dimensionamento dei bioreattori, argomento troppo complesso per poter essere affrontato in modo organico ed esaustivo. La tematica della cinetica di accrescimento è solitamente affrontata nel corso di fermentazioni. Le prove dell esame di Stato degli ultimi anni hanno messo in evidenza la necessità di trattare argomenti inerenti alle problematiche ambientali (idrogeno, biocombustibili). A tal proposito si vuole sottolineare che integrare il programma ministeriale del quinto anno con tali tematiche risulta particolarmente difficile vista l ampiezza e la complessità del programma stesso in relazione ai tempi disponibili; le stesse riflessioni valgono per i principi di economia e di legislazione industriale. Di seguito si riporta il programma, suddiviso per moduli. 3

4 Cenni di sistemi di controllo Classificazione dei processi secondo risposta transitoria, caratteristiche dei vari ordini e loro comportamento. Processi con e senza auto equilibrio. Classificazione dei regolatori in funzione del legame fra le variabili: regolatori continui e discontinui, caratteristiche dei regolatori continui ad azione semplice e combinata, descrizione del loro comportamento. Cenni di regolazione speciale. Distillazione. CLIL: Heat Exchange, heat exchangers, shell and tube heat exchanger (revision) Vapour pressure. Raoult s Law. Dalton s Law. Ideal solutions. The boiling point diagram. The equilibrium line. Rectification: an introduction. Distillation Column Operation. La distillazione di rettifica continua. Bilanci di materia e di energia a tutta la colonna, in testa, in coda, al piatto, al piatto di alimentazione. Rette di lavoro, q line, significato di q, traffici in colonna. Rapporto di riflusso, Rmin, Reff. Calcolo grafico del numero di piatti secondo l ipotesi di Mc Cabe & Thiele. Diametro della colonna e distanza tra i piatti, efficienza della colonna. Tipi di piatti. Apparecchiature ausiliarie. Distillazione continua a singolo stadio ( flash): bilanci di materia e di energia. Distillazione completamente discontinua a singolo stadio (differenziale). Distillazione discontinua: xd costante, R costante. Distillazione in corrente di vapore: bilanci di materia e di energia. Diagrammi di equilibrio liquido/vapore con azeotropo. Distillazione estrattiva ed azeotropica. Schema, completo di regolazioni essenziali, di: rettifica continua, con condensazione parziale e totale, con solo tronco di esaurimento o di arricchimento, distillazione discontinua, distillazione in corrente di vapore continua e discontinua. Esercizi di calcolo riguardanti la rettifica continua, esempi solo dimostrativi invece per gli altri tipi di distillazioni. Assorbimento e stripping. Legge di Henry. Bilancio di materia, retta di lavoro e calcolo grafico del numero di stadi teorici. CLIL: Gas sweetening. Schema di processo, con controlli essenziali, di assorbimento e stripping, separati e combinati. Estrazione. Estrazione liquido - liquido a parziale miscibilità. Lettura diagramma triangolare con curva di miscibilità. Estrazione a singolo stadio e a stadi multipli in correnti incrociate e controcorrente: bilanci e calcolo del numero di stadi con metodo grafico. Estrazione liquido-liquido a completa immiscibilita` tra i solventi. Bilanci e calcolo del numero di stadi con metodo grafico. Estrattori. Estrazione solido-liquido. Diagrammi triangolari Curve di equilibrio per la composizione del corpo di fondo. Estrazione a singolo stadio e a stadi multipli in correnti incrociate e controcorrente: bilanci e calcolo del numero di stadi con metodo grafico. Estrattori. Schema di processo, con controlli essenziali, dell estrazione con solvente. Industria del saccarosio. Cenni generali alla struttura dei saccaridi. Estrazione del saccarosio. Depurazione dei sughi. Concentrazione e cottura dei sughi. Raffinazione del saccarosio. Petrolio e processi di raffineria CLIL: The tree of chemistry. Feedstock for the production of chemicals and energy. Biomasses. Primary energy sources. Oil issues. Shale gas. Fossils vs renewables. Renewable sources of energy: solar energy, geothermal energy, wind power, hydropower, and biofuels. 4

5 Global warming and climate change. Greenhouse gases. The 2C target. Oil: elemental and chemical composition, main fractions from topping distillation. Oil extraction. Petrolio e frazioni petrolifere. Topping e vacuum. Processi di conversione: cracking catalitico, steamcracking. Benzine e reforming catalitico. Cenni alla marmitta catalitica. Produzione di gas di sintesi, metanolo, MTBE CLIL: Hydrogen: an energy vector and a building block. Carbon Capture and Storage. Carbon Trade. Polimeri sintetici. CLIL: Introduction to polymers. Thermosettings and thermoplastics. Meccanismo di poliaddizione a catena (radicalica e ionica) e di polimerizzazione a stadi. Tecnologie di produzione dei polimeri (in blocco, in soluzione, in emulsione, in sospensione). Poliaddizioni a catena: polietilene (schema dell impianto e proprietà del polimero), polipropilene (schema dell impianto e proprietà del polimero). Polimerizzazione a stadi: produzione industriale del nylon 6,6 (meccanismo e schema dell impianto). CLIL: Plastics in the environment. Plastic shopping bag. Bioplastic. Processi basati sulle biotecnologie. CLIL: Biotechnology: an introduction. Impianti di fermentazione industriale. Parametri e variabili della fermentazione. Materiali e criteri costruttivi per i fermentatori. Processi di sterilizzazione continua e discontinua del mezzo, dell aria e dei condotti. Schemi di vari tipi di fermentatori; principali sistemi di controllo di un fermentatore. Produzione di alcol etilico da residui vegetali. Produzione di antibiotici. CLIL: Bioplastics. Global water resources. Water and people. Water and industry. The hydrological cycle. Water pollution. Sewage treatment. Depurazione delle acque reflue civili e industriali: metodi biologici. Produzione di biogas. Schemi degli impianti ed elementi di controllo e regolazione applicati ai fermentatori e ai digestori Tiziana De Lucia Susanna Zoboli 5