Corso di Laurea triennale in Chimica. Chimica Industriale e Laboratorio CFU 12. Docenti Italo Ferino ( modulo I ) Roberto Monaci ( modulo II )

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1 Università degli Studi di Cagliari Corso di Laurea triennale in Chimica Chimica Industriale e Laboratorio CFU 12 Docenti Italo Ferino ( modulo I ) Roberto Monaci ( modulo II ) Tel /4386 SSD CHIM/04 Fax ferino@unica.it ; monaci@unica.it Orario di ricevimento Lunedì-Venerdì, previo appuntamento (tel. o ); Martedì 10-12; Venerdì Obiettivi Formativi: Conoscenze: Mostrare quali informazioni sono contenute nell equazione cinetica. Mostrare che l influenza di temperature e concentrazioni macroscopicamente riassunta nell equazione di velocità è in realtà il risultato di eventi microscopici spesso numerosi e complessi (meccanismo di reazione), la cui conoscenza ha importanti conseguenze dal punto applicativo (gestione o innovazione dei processi industriali). Mostrare che per la gestione di un processo chimico la legge cinetica va inserita all interno dell equazione di comportamento dell apparecchiatura di reazione (reattore) utilizzato. Descrivere con un certo dettaglio due classi di reazioni di estrema importanza nel campo delle applicazioni industriali: le reazioni catalitiche eterogenee e le reazioni enzimatiche. Presentare i reattori industriali nei loro tipi fondamentali, illustrandone vantaggi e svantaggi. Mostrare come si possa prevedere e governare la crescita della biomassa e la trasformazione del substrato nei fermentatori discontinui e continui (in particolare quelli continui per il trattamento di reflui). Mostrare come si possano prevedere e governare la variazione della temperatura e la formazione dei prodotti in reattori catalitici a letto fisso. Mostrare come un processo possa essere governato in modo autotermico sfruttando il calore Pag. 1/5

2 generato dalla reazione. Accennare ai rischi di instabilità del funzionamento autotermico del reattore. Introdurre le definizioni e le classificazioni della chimica industriale e dell industria chimica. Analizzare le principali classi di prodotti dell industria chimica, sottolineandone l importanza con riferimento al loro uso diffuso e quotidiano. Analizzare il ruolo tuttora fondamentale dei combustibili fossili come fonti energetiche e di materie prime dell industria chimica; affrontare la problematica riguardante la ricerca di nuove fonti rinnovabili di energia e materie prime. Analizzare i più importanti processi di produzione del gas di sintesi, sottolineandone il ruolo chiave come intermedio per gran parte delle produzioni chimiche, sia organiche che inorganiche. Approfondire il processo di produzione del metanolo, analizzandone l importanza come intermedio nell industria chimica organica. Approfondire il processo di produzione dell ammoniaca, analizzandone l importanza come intermedio nell industria chimica inorganica. Capacità: Discutere le problematiche legate all uso dei reattori chimici. Progettare schematicamente una possibile sequenza di processi per la produzione industriale di un dato prodotto chimico a partire dalle materie prime. Effettuare il bilancio di materia e di energia di processi semplici, risolvere problemi elementari di scambio termico e separazione. Comportamenti: Partecipazione interattiva con il docente durante il corso. Stimolare il lavoro sia di gruppo sia autonomo. Conoscenze richieste: Concetti introdotti nei corsi del primo e secondo anno della laurea triennale in Chimica. Pag. 2/5

3 Programma: Modulo I Chimica Industrale Condizione di equilibrio termodinamico per i sistemi chimici reagenti. Dipendenza della costante di equilibrio dalla temperatura (equazione di Vant Hoff) e dalla pressione. Grado di avanzamento di una reazione. Definizione di velocità di reazione. Forme più usuali dell equazione cinetica. Reazioni cineticamente reversibili. Dipendenza della velocità dalla temperatura (equazione di Arrhenius). Energie di attivazione ed entalpia di reazione. La velocità in funzione del grado di avanzamento e la temperatura per una reazione del primo ordine irreversibile, reversibile endotermica, reversibile esotermica. Reazioni di secondo ordine irreversibili e reversibili. Reazioni di ordine variabile. Reazioni simultanee (parallele e consecutive). Reazioni radicaliche. Ipotesi dello stato stazionario e dello stadio determinante. Apparecchiature di reazione discontinue e continue. Equazione di comportamento per i reattori PFR, PFR disperso e CSTR. Tempo di residenza e tempo spaziale. Due classi di reazioni di considerevole importanza industriale: le reazioni catalitiche eterogenee e le reazioni enzimatiche. Modelli per la descrizione delle reazioni catalitiche eterogenee. Effetto combinato di processi fisici (trasporto di massa, diffusione interna) e processi chimici superficiali (adsorbimento/desorbimento di reagenti e prodotti e reazione chimica superficiale). Natura degli enzimi. Fonti per la produzione degli enzimi. Modelli per la descrizione delle reazioni enzimatiche. Effetto di inibitori. Aspetti stechiometrici di processi industriali basati sull impiego di microrganismi. Resa in biomassa e resa in prodotto. Fasi di crescita di colture microbiche. Legge di Malthus. Equazione logistica. Legge di Monod. Reattori biologici. Breve descrizione delle applicazioni e dei requisiti. Configurazioni dei reattori biologici. Reattori batch con enzimi liberi. Crescita microbica ed evoluzione del substrato in reattore batch. Crescita microbica in continuo. Fermentatore CSTR. Reattori tubolari impaccati per reazioni gas/solido (catalitici). Condizioni isoterme: bilancio materiale, lunghezza del reattore e massa di catalizzatore. Condizioni adiabatiche: bilancio materiale e bilancio entalpico. Condizioni non-isoterme/non-adiabatiche.comportamento autotermico e stabilità. Gas di sintesi: produzione da combustibili fossili e biomasse; impieghi. Metanolo:produzione e impieghi. Ammoniaca: produzione e impieghi. Modulo II Laboratorio di Chimica Industrale Definizione di conversione,selettività e resa di un processo industriale. Attività e selettività di un catalizzatore. Catalisi omogenea. Catalisi eterogenea. Adsorbimento fisico e chemiadsorbimento. Classificazione dei catalizzatori. Catalizzatori acidi solidi. Rappresentazione del flusso di materia in un processo industriale. Calcoli stechiometrici e di bilanci di materia in sistemi semplici. L equazione del bilancio di energia. Trasferimento di calore : calore e temperatura. Trasferimento di calore per conduzione. Flusso di calore stazionario. Resistenze in serie al flusso di calore. Trasferimento di calore per convezione. Scambiatori di calore. Processi di separazione Equilibrio di separazione. Il fattore di Pag. 3/5

4 separazione e la sua relazione con le proprietà molecolari. Selezione dei processi di separazione. Distillazione : colonne di rettifica, rapporto di riflusso, determinazione del numero di piatti di una colonna. Esercitazioni numeriche. Esercitazioni di laboratorio : Gas-cromatografia. Separazione degli isomeri xilenici mediante cristallizzazione frazionata e distillazione. Determinazione acidità di un catalizzatore solido con il metodo di Benesi; Studio di una reazione catalitica in fase liquida Reazioni di polimerizzazione.sintesi di un tensioattivo e sua caratterizzazione; Testi consigliati: Modulo I P.W. Atkins, Elementi di chimica fisica, Zanichelli. O. Levenspiel, Ingegneria delle reazioni chimiche, Ambrosiana. Coulson & Richardson s Chemical Engineering, vol. 3 (J.F. Richardson and D.G. Peacock, eds.), Pergamon. I. Pasquon, G.F. Pregaglia, Principi della Chimica Industriale. 5. Prodotti e processi dell industria chimica, CittàStudi Edizioni K. Weissermel, H.-J. Arpe, Industrial Organic Chemistry, Verlag Chemie K.H. Büchel, H.-H Moretto, P. Woditsch, Industrial Inorganic Chemistry, Wiley-VCH C.A. Clausen, G. Mattson, Principles of Industrial Chemistry, John Wiley and Sons V. Petrone, L industria chimica, Siderea A. Girelli, L. Matteoli, F. Parisi, Trattato di Chimica Industriale e Applicata, Zanichelli Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, VCH Modulo II Clausen, Mattson Principles of Industrial Chemistry - John Wiley &Sons Carrà, Morbidelli Chimica Fisica Applicata - Hoepli ( Cap. 1 e 3 ) Rigamonti Chimica Industriale - Clut Pasquon, Guerrieri Principi della Chimica Industriale Vol.3 - Città Studi ( Distillazione ) Cozzi, Protti, Ruaro Analisi Chimica. Vol.1 Cap Zanichelli Pag. 4/5

5 Modalità di verifica/esame: X X Prove di verifica intermedie Esame scritto Esame orale Prova di laboratorio Descrizione: L esame consiste in una prova scritta comprendente esercizi numerici e domande a risposta aperta sugli argomenti trattati nel modulo di laboratorio e in una prova orale vertente su tutti gli argomenti trattati nei due moduli, sugli esercizi oggetto della prova scritta e sulle relazioni delle esercitazioni di laboratorio. La prova scritta ha validità un anno. Pag. 5/5