Tecnologie Chimiche Industriali Classe IV E Anno Scolastico 2016 / 2017 prof. ssa Tiziana De Lucia / prof. Daniele Macagni Finalità Il programma triennale di Tecnologie Chimiche Industriali affronta lo studio della chimica con un approccio impiantistico ed industriale, attraverso la progettazione e la comprensione di impianti chimici volti alla produzione di sostanze chimiche o al trattamento di rifiuti di varia matrice, in particolare le acque. In questo corso durante il quarto anno 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 alcune semplici operazioni unitarie e le relative apparecchiature industriali più comuni, come il convogliamento di fluidi e solidi, la trasmissione di calore, la concentrazione e l essiccamento 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 Fra gli obiettivi peculiari di Tecnologie Chimiche Industriali risultano particolarmente importanti: la capacità di utilizzare le conoscenze teoriche per affrontare la progettazione di una operazione unitaria e il dimensionamento delle principali apparecchiature coinvolte l acquisizione di competenze correlate alla diversità tra la realizzazione di un impianto chimico o di una reazione a livello industriale e di laboratorio la conoscenza e l uso della terminologia tecnica specifica Obiettivi specifici Obiettivi disciplinari previsti in termini di: Conoscenze Conoscere le dimensioni delle principali grandezze fondamentali e derivate appartenenti a diversi sistemi di unità di misura Conoscere ed applicare il principio di conservazione dell energia meccanica Conoscere le leggi che regolano il moto di fluidi ideali e reali Saper descrivere le caratteristiche del moto laminare e turbolento Conoscere le caratteristiche costruttive e di esercizio di tubazioni, serbatoi, valvole, macchine operatrici Conoscere le proprietà meccaniche e chimico-fisiche dei principali materiali impiegati nella costruzione di un impianto chimico Conoscere i principi fondanti delle operazioni di convogliamento di fluidi, filtrazione e sedimentazione Conoscere i trattamenti chimico-fisici per la depurazione delle acque Relativamente alle operazioni unitarie studiate in quarta, cioè convogliamento dei fluidi, trasmissione di calore, concentrazione ed essiccamento, si individuano le seguenti conoscenze: Principi fondanti Bilanci di materia ed energia applicati Caratteristiche costruttive e di esercizio delle apparecchiature impiegate 1
Verranno inoltre affrontate le problematiche connesse alla realizzazione di un processo chimico a livello industriale, analizzando alcune significative produzioni industriali. In questo ambito le principali conoscenze individuate sono: aspetti termodinamici e cinetici scelta delle materie prime valutazioni impiantistiche impatto ambientale Infine sarò richiesto il consolidamento di un linguaggio tecnico e scientifico appropriato. Competenze Saper fare conversioni fra unità di misura di diversi sistemi di unità di misura Saper verificare la correttezza di una legge fisica, anche mediante l analisi dimensionale Saper prevedere il tipo di moto di un fluido, ideale e reale Saper scegliere apparecchiature e macchine operatrici più indicate all interno di un impianto chimico, anche in relazione al relativo materiale di costruzione Saper scegliere i trattamenti delle acque in relazione agli usi Saper predisporre semplici schemi d impianto 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 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 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 2
l apprendimento tra pari), verifiche formative, utilizzo di strumenti audiovisivi, partecipazione a progetti, visite di istruzione, conferenze. Per quanto riguarda la compresenza, in quarta la riforma ha ridotto le ore passando da due a una. Durante l ora settimanale dedicata alle attività tecnico pratiche ci si occupa dei controlli negli impianti chimici, della stesura degli schemi a blocchi e degli schemi di processo strumentali relativi alle operazioni unitarie studiate. Queste lezioni sono tenute dall insegnante tecnico pratico in accordo e in collaborazione con l insegnante di teoria. Strumenti di lavoro Libro di testo Tecnologie Chimiche Industriali di S. Natoli, M. Calatozzolo nuova edizione vol. 2 Ed. Edisco Dispensa di disegno realizzata da insegnanti dell Istituto Strumenti di verifica Le verifiche sommative per quadrimestre dovranno essere non meno di due scritte e/o grafiche, relative ai calcoli e ai dimensionamenti delle apparecchiature coinvolte nelle operazioni unitarie studiate. Inoltre sarà valutato lo studio degli aspetti teorici con almeno due verifiche per l orale a quadrimestre; le verifiche orali possono essere sostituite da questionari a risposta aperta o a test per poter verificare in tempi brevi la preparazione teorica su ogni argomento trattato. Resta comunque fissata la possibilità di recuperare le insufficienze mediante interrogazioni in date concordate. 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 Di seguito si riportano i contenuti suddivisi per moduli. Rappresentazione grafica di impianti chimici Introduzione allo studio descrittivo della regolazione automatica. Conoscenza della normativa Unichim nella rappresentazione grafica degli impianti chimici. Impostazione di una relazione esplicativa a corredo della rappresentazione grafica. Rappresentazione grafica delle operazioni unitarie studiate all'interno del percorso didattico e impostazione del sistema di controllo essenziale. Rappresentazione di semplici impianti. Interpretazione di schemi di processo. Grandezze fisiche ed unità di misura Principali grandezze fisiche fondamentali e derivate del Sistema Internazionale e del Sistema Pratico, relative unità di misura. Conversioni tra unità di misura di diversi sistemi. Analisi dimensionale Statica e dinamica dei fluidi Leggi che regolano la statica dei fluidi. Equazione di continuità. Equazione di Bernoulli. Fluidi ideali e fluidi reali. Moto laminare di un fluido el moto turbolento. Perdite di carico continue e localizzate in una tubazione. Apparecchiature per la misurazione delle portate. Apparecchiature accessorie e materiali Serbatoi, valvole e tubazioni. Materiali metallici e relativi criteri di classificazione. Processi corrosivi più comuni e mezzi di prevenzione e protezione. 3
Trasporto dei fluidi Macchine operatrici per liquidi e per aeriformi. Condizioni di funzionamento di una pompa centrifuga: prevalenza, potenza utile ed assorbita, rendimento. Le curve caratteristiche. Punto di lavoro. Regolazione. Pompe volumetriche e speciali. Risoluzione di esercizi numerici relativi all installazione di pompe. Elementi di controllo e di regolazione applicati alle macchine operatrici. Caratteristiche e trattamenti chimico-fisici delle acque Meccanismi di sedimentazione, filtrazione e flottazione e relative apparecchiature. Classificazione delle acque per utilizzo e provenienza. Acque ad uso industriale. Tecniche di addolcimento. Trasmissione di calore. Diagramma di Andrews e curva di Mathias. Il diagramma di riscaldamento. Calore specifico e calore latente. Il contenuto termico. Bilancio di materia. Bilancio di energia. Il calore. Scambio di calore per mescolamento. Conduzione. Legge di Fourier. Trasmissione in pareti piane e cilindriche, mono e multi strato. Convezione naturale e forzata. Lo strato limite. Equazione di Newton del raffreddamento. Irraggiamento. Legge di Stefan-Boltzmann. Legge di Wien. Coefficiente globale di scambio termico. Fattori di sporcamento. Scambio di calore tra fluidi in equicorrente, in controcorrente e a correnti indifferenti: differenza di temperatura media logaritmica. Scambiatori di calore. Calcolo e dimensionamento di uno scambiatore di calore. Descrizione dei principali scambiatori di calore. I condensatori a superficie. I ribollitori. Fluidi impiegati nel trasferimento di energia termica. Materiali per l isolamento termico. Elementi di controllo e di regolazione applicati agli scambiatori di calore. Concentrazione Studio del fenomeno dell ebollizione: concetto di tensione di vapore. Equazione di Clausius- Clapeyron. Legge di Trouton. Innalzamento ebullioscopico. Costante ebullioscopica. Diagramma e relazione di Dühring. Parametri che influenzano il trasferimento di calore ai liquidi in ebollizione. Evaporazione a semplice effetto. Dimensionamento di un evaporatore a semplice effetto: bilanci di materia e di energia. Il T utile. Calcolo della superficie di scambio. Scelta della pressione operativa (qualitativa). Il condensatore barometrico: bilanci di materia e di energia. Il blanketing. Descrizione dei principali tipi di evaporatori: a tubi orizzontali, a tubi verticali corti e lunghi, a circolazione forzata. Evaporazione a multiplo effetto. Descrizione e confronto dell'evaporazione a multiplo effetto in equicorrente e controcorrente. Considerazioni sulla determinazione del numero ottimale degli effetti. Termocompressione. Diagramma entropico. Elementi di controllo e di regolazione applicati all'evaporazione. Essiccamento Igrometria. Umidità assoluta, di saturazione e relativa. Calore specifico umido. Il volume specifico (cenni). Temperature di rugiada, di bulbo secco e di bulbo umido. Il diagramma igrometrico. Metodi per rendere l'aria essiccativa e metodi per umidificare l aria. Essiccamento dei solidi: curva di essiccamento. Umidità libera e umidità vincolata. Descrizione di apparecchiature per l'essiccamento dei solidi. Elementi di controllo e di regolazione applicati all essiccazione. 4
Sistemi di separazione gas-solido. Sistemi di abbattimento del particolato da effluenti gassosi. Termodinamica e cinetica delle reazioni chimiche: studio termodinamico delle reazioni possibili. Ripasso dei concetti di H, H o, S, S o. G e G o. Significato termodinamico delle condizioni standard: Kp. Importanza termodinamica delle variabili operative. Scelta di temperatura e pressione, azione di massa. Esempi di reazioni industriali. Cinetica e catalisi Aspetti cinetici. Fattori che influenzano la velocità di reazione. Teoria degli urti: l energia di attivazione. Il meccanismo di reazione. Isoterme di reazione. La catalisi. Caratteristiche generali di un catalizzatore e sua classificazione. Catalisi omogenea ed eterogenea. Promotori, veleni ed inibitori, cocatalizzatori. Invecchiamento e sinterizzazione. La realizzazione di una reazione in un impianto chimico industriale Resa, conversione e selettività. L albero della chimica: materie prime, building blocks, intermedi e prodotti finiti. Principi di green chemistry. Reattori Reattori continui, discontinui e semicontinui. Modelli ideali di reattori a tino e con flusso a pistone. Reazioni parassite e scelta del reattore. Velocità spaziale. Tempo di contatto. Esempi di reazioni di sintesi industriali: sintesi dell'ammoniaca, sintesi di NO. Tiziana De Lucia Daniele Macagni 5