Insegnanti: Lorenzo Turci e Daniele Macagni Obiettivi specifici Tecnologie Chimiche Industriali Programmazione Anno Scolastico 2016/2017 Classe 4ªG Tecnologie chimiche industriali, che si sviluppa nel corso dell'intero triennio, è una disciplina che studia le applicazioni industriali e impiantistiche della chimica. Le ore settimanali di lezione sarebbero 5 in quarta ma si è scelto di attribuire 6 ore a questa disciplina in quanto saranno affrontati in Tecnologie Chimiche anche argomenti riguardanti la chimica fisica. Il programma è strutturato in modo da permettere agli studenti di acquisire, nel corso del triennio, competenze sempre più specifiche nella comprensione e progettazione di impianti industriali finalizzati alla produzione di sostanze chimiche e al trattamento dei rifiuti urbani, agricoli e industriali con particolare riferimento alla depurazione delle acque. Verrà poi svolta una parte di programma riguardante le grandezze termodinamiche con esempi applicativi ai processi e la cinetica chimica. AI termine del quarto anno gli allievi dovranno: aver acquisito conoscenze dei principi teorici e delle apparecchiature relativi alla produzione e al trasporto del calore, alle operazioni di concentrazione e di essiccamento; dovranno conoscere le norme UNICHIM; aver acquisito le abilità necessarie per applicare i principi chimico-fisici alle trasformazioni chimiche nei processi produttivi; aver acquisito le abilità necessarie per applicare i principi e le leggi della cinetica per calcolare i parametri che influenzano la velocità delle reazioni; aver acquisito le abilità necessarie per risolvere semplici problemi di natura impiantistica relativi alla produzione e al trasporto di calore, nonché al dimensionamento di massima di apparecchiature per operazioni unitarie quali l'evaporazione/concentrazione e l'essiccamento. Dovranno saper eseguire schemi di impianto che permettano una rapida comprensione del processo e dei sistemi di controllo e regolazione delle variabili; aver acquisito competenze che consentano ai giovani di collaborare responsabilmente alla conduzione di impianti di produzione, in particolare nel settore ceramico; di comunicare con proprietà di linguaggio tecnico, di interpretare e realizzare lo schema di un processo chimico. Conoscenze e competenze minime L'allievo deve conoscere gli aspetti teorici essenziali delle operazioni unitarie e dei processi studiati, fare bilanci di materia ed energia, saper reperire ed interpretare correttamente grafici e tabelle, predisporre semplici schemi d'impianto. Metodologie didattiche e Strumenti Per stimolare una continua attenzione e favorire ciascun stile cognitivo le varie proposte didattiche saranno quanto più possibile diversificate. Si utilizzeranno quindi prevalentemente lezioni frontali, ma sarà dato ampio spazio anche ad esecuzione di esercizi individuali, utilizzo di strumenti audiovisivi, eventuale partecipazione a progetti, visite di istruzione, conferenze. Codocenza Delle sei ore di lezione settimanali, una prevede la compresenza del docente di teoria e di un insegnante tecnico per attività tecnico-pratiche e di laboratorio. 1
Non disponendo di uno specifico laboratorio, le ore di lezione in compresenza con l'insegnante tecnico pratico vengono utilizzate per la stesura di schemi di impianti chimici legati agli argomenti trattati. Le lezioni di disegno vengono tenute dall'insegnante tecnico pratico e da quello di teoria in stretta collaborazione, sugli argomenti attinenti alla parte di programma in corso; gli schemi grafici degli impianti chimici vengono svolti dagli studenti in parte in classe e in parte a casa e corretti e discussi in classe nelle ore di compresenza. Sussidi Didattici Il programma sviluppato in quarta fa riferimento al testo di Tecnologie Chimiche Industriali VoI. 2, casa editrice Edisco. Viene utilizzata inoltre una dispensa (redatta dagli insegnanti di tecnologie chimiche dell'istituto) per le norme del disegno tecnico non adeguatamente sviluppate nel volume citato. Tale dispensa sarà utilizzata anche nel corso della classe quinta. Verifiche e valutazioni Le verifiche della preparazione degli studenti e le relative valutazioni vengono fatte sui diversi moduli del programma man mano che vengono svolti. Le verifiche saranno scritte, prevalentemente costituite da esercizi di calcolo e schemi grafici relativi alla progettazione delle singole apparecchiature trattate nella parte teorica. Inoltre, coerentemente con quanto è stato deciso ed è stato scritto nel Documento di programmazione del Dipartimento di Chimica, anche le verifiche di teoria potranno essere costituite da questionari scritti a risposta aperta o da test a risposta multipla. Si cercherà di fare in modo che ogni allievo sia comunque oggetto di almeno una interrogazione orale a quadrimestre. Le valutazioni dei disegni svolti dagli studenti concorrono alla formulazione del giudizio finale, ma verranno considerati alla pari delle altre verifiche scritte solamente quando svolti interamente a scuola come compiti in classe. Come griglia di valutazione si adotta quella riportata nel Documento di programmazione della disciplina di Tecnologie Chimiche, del quale si adottano anche le conoscenze, competenze ed abilità minime. Contenuti Il programma del corso di tecnologie chimiche di quarta, rispettando per quanto possibile le linee guida del Ministero, si struttura in tre parti relativamente distinte. Nella prima parte si prevede lo studio e progettazione di alcune tra le più diffuse apparecchiature degli impianti industriali: pompe, valvole, tubazioni, serbatoi, filtri per le acque. E' una parte del programma che richiede esercitazioni numeriche per le quali è necessario conoscere in maniera approfondita le grandezze fisiche fondamentali, la loro espressione nei sistemi di unità misura più in uso e le leggi fisiche che riguardano il comportamento dei fluidi ideali e reali; per questo motivo si utilizza la parte iniziale del programma per riprendere alcune delle nozioni apprese nel corso del biennio. Inoltre si prevede lo studio del trattamento delle acque con metodi chimico fisici, si riduce di solito a riguardare soltanto i trattamenti di deindurimento. Il programma ministeriale prevede anche lo studio dei materiali metallici e plastici impiegati nella costruzione degli impianti chimici, a questo proposito si ritiene che il numero esiguo di ore a disposizione non consentano di affrontare in maniera adeguata questa parte del programma soprattutto in relazione ai materiali plastici. Si propone quindi di trattare solo a grandi linee i materiali metallici e le prove tecnologiche più comuni. In una seconda parte si effettua lo studio ed una progettazione di massima di alcune semplici apparecchiature facenti parte degli impianti chimici con l'introduzione dei bilanci di materia e di energia finalizzati alloro dimensionamento di massima. 2
Nella terza parte viene trattato il problema della realizzazione delle reazioni chimiche nell'industria: in questa fase si affrontano gli aspetti legati alla applicazione dei principi termodinamici e cinetici ai processi chimici su scala industriale, allo scopo di ottenere le migliori rese. Lo studio di questi argomenti verrà svolto ad un livello prevalentemente qualitativo, con alcuni esempi applicativi, dopo aver fornito le nozioni di base sulle grandezze termodinamiche e cinetiche necessarie. Coerentemente con le linee guida ministeriali, viene affrontata la stesura di schemi grafici relativi alle prime operazioni unitarie legate all'uso del calore: trasmissione e scambio del calore, evaporazione, concentrazione ed essiccamento. Il programma suddiviso per moduli è riportato di seguito. MODULO 1 Sistemi di unita' di misura e loro unita' fondamentali: Sistema Internazionale,sistema cgs, sistema Tecnico europeo. Conversioni tra unità di misura dei diversi sistemi. Definizione operativa e conversioni delle seguenti grandezze derivate:forza, lavoro/potenza,densità e peso specifico. MODULO 2 Materiali per l'impiantistica chimica. Breve classificazione. Proprietà generali dei materiali metallici. Pproprietà meccaniche dei materiali: durezza, resistenza a trazione, tenacità. Prodotti siderurgici per impiantistica: acciai e ghise. Cenni alle proprietà e utilizzi di: rame e sue leghe, alluminio, nichel e leghe. Cenni alla corrosione ed alla sua prevenzione. MODULO 3 Statica e dinamica dei fluidi. Pressione: pressione idrostatica,relativa e assoluta, misuratori di pressione. Idrostatica: Leggi di Stevin e Pascal Equazione della statica. Idrodinamica: portata di una corrente fluida ed equazione di continuità; tipi di moto: vario,permanente o stazionario e uniforme; moto laminare o turbolento,numero di Reynolds; definizione di viscosità; fluidi ideali,principio di conservazione dell'energia,trinomio di Bernoulli; fluidi reali,perdite di carico continue e localizzate,equazione di Fanning e grafici per ricavare il fattore "f ". MODULO 4 Mezzi di trasporto dei fluidi. Macchine per il trasporto dei liquidi: prevalenza, potenza, rendimento e altezza di aspirazione delle pompe; pompe centrifughe; pompe volumetriche; pompe speciali. Trasporto degli aeriformi: 3
ventilatori e compressori; pompa ad anello liquido ed eiettore. MODULO 5 Contenitori,tubazioni e valvole. Classificazione ed uso dei contenitori. Tubi, cenni alla normalizzazione ed alla pressione nominale. Giunti e guarnizioni. Valvole: di intercettazione, di regolazione, di ritegno, di sicurezza. MODULO 6 Operazioni per la separazione liquido-solido: teoria della sedimentazione e della filtrazione; decantatori; filtri discontinui: filtro a sabbia, filtro pressa; filtri continui: filtro rotativo Oliver. Flottazione. MODULO 7 Le acque. Disponibilità ed impieghi. Requisiti in rapporto agli usi. Stato delle acque disponibili: durezza. Trattamenti delle acque: Deindurimento delle acque: processo calce-soda, processi a scambio ionico. Demineralizzazione. Dissalazione delle acque: osmosi inversa, elettrodialisi. MODULO 8 Il disegno di impianti chimici. Simboli Unichim di apparecchiature, collegamenti, controllo e regolazione delle operazioni unitarie. Stoccaggio dei liquidi e dei solidi. Convogliamento e dosaggio dei liquidi e dei gas. Gli schemi nella rappresentazione grafica degli impianti chimici: a blocchi, di processo (semplificato e strumentale). Regole per il disegno degli schemi, della legenda e della relazione di funzionamento dell'impianto. Tavole di disegno di semplici impianti per il convogliamento, la miscelazione e lo stoccaggio di gas, liquidi e solidi. MODULO 9 Vapore d'acqua come fluido di scambio termico. Studio del diagramma di Andrews e del diagramma T, Q. Calcolo calore (entalpia). Trasmissione di calore. Conduzione, legge di Fourier per pareti semplici e composte, piane e cilindriche. Significato del coefficiente di conducibilita' K. Convezione e coefficiente di pellicola h. Scambio totale di calore, coefficiente totale di scambio U e U d. Calcolo del calore scambiato. Calcolo del T medio-iogaritmico nel caso di equicorrente, controcorrente e correnti indifferenti. Cenni all'irraggiamento. Bilanci di materia e di energia. 4
MODULO 10 Scambiatori di calore. Scambiatori a tubi concentrici (hairpin). Scambiatori a fascio tubiero, testa fissa, flottante, a chioma. Parti accessorie, diaframmi, piastre, disposizione dei tubi. Bilancio entalpico allo scambiatore. Dimensionamento dello scambiatore fino al numero dei tubi. Condensatori a superficie e a miscela. Elementi di controllo e di regolazione applicati agli scambiatori. Schemi di impianti con scambio termico e recupero di calore. MODULO 11 Evaporazione. Studio del fenomeno dell'ebollizione. Legge di Clausius-Clapeyron, di Trouton e di During. Effetto ebullioscopico. Tipi di evaporatori: a tubi corti e lunghi, circolazione naturale e forzata. Schema di un evaporatore con controlli automatici, a pressione atmosferica e sotto vuoto. Bilanci di materia ed entalpia con esercizi di calcolo per il dimensionamento delle apparecchiature. Apparecchiature accessorie: condensatore, tubo barometrico, scaricatori di condensa, sistemi per creare e mantenere il vuoto. Multiplo effetto e termocompressione: cenni. Elementi di controllo e di regolazione applicati agli evaporatori. Schemi di impianti. MODULO 12 Sistemi di separazione gas-solido. Sistemi di abbattimento del particolato da effluenti gassosi. MODULO 13 Essiccamento. Definizione delle grandezze fondamentali dell'igrometria, studio ed uso del diagramma igrometrico. Metodi per rendere l'aria siccativa. Curva di essiccamento di un solido (in generale e riferito alla piastrella ceramica). Essiccamento diretto dei solidi con aria calda, bilancio ponderale e termico con esercizi di calcolo. Cenni a schemi e apparecchiature per l' essiccamento diretto dei solidi. Elementi di controllo e di regolazione del processo. Schemi di impianti di essiccamento. MODULO 14 Termodinamica e cinetica delle reazioni chimiche. Primo, secondo e terzo principio. Studio termodinamico delle reazioni possibili. H, H (definizione qualitativa). S, S (definizione qualitativa). G (definizione qualitativa e verifica delle possibili combinazioni dei segni tra H e S ).Confronto tra G e G. Significato termodinamico delle condizioni standard (definizione della Kp). Importanza termodinamica delle variabili operative. 5
Temperatura (aspetti qualitativi e quantitativi, equazione di Van't Hoff e diagrammi risultanti, esempi di reazioni industriali). Pressione (aspetti qualitativi e quantitativi, relazioni tra Kp e Kx, influenza degli inerti ). Azione di massa (aspetti qualitativi e quantitativi, esempi di reazioni industriali). Cinetica e catalizzatori. Meccanismi di reazione e velocità di reazione. Teoria degli urti (molecolarita' delle reazioni). Energia di attivazione (diagrammi Ep/cdr, cenni sullo stato di transizione). Velocità della reazione (concentrazione, temperatura, costante di velocità, formula di Arrhenius) Catalisi e catalizzatori industriali. Principio di funzionamento del catalizzatore. Catalisi eterogenea. Classificazione dei catalizzatori. Cocatalizzatori e protettori strutturali. Avvelenamento, invecchiamento, sinterizzazione. Reattori industriali. Principali reattori per reazioni con catalisi eterogenea e confronti. Reattori a tino (CSTR ed STR) e con flusso a pistone (PFR) MODULO 15 L'automazione nei processi chimici industriali. Concetti generali sui processi chimici industriali e sulla loro regolazione. Struttura del controllo: grandezze regolate, grandezze regolanti e grandezze perturbatrici, set-point di una variabile controllata. Controllo nei processi industriali: sistemi ad anello aperto e chiuso. Sistemi di controllo ad anello chiuso o sistemi retroazionati (esempio di controllo con operatore ed esempio con controllo automatico), concetto di retroazione negativa e positiva. Stabilita' dei sistemi retroazionati con alcuni esempi pratici. Rilevatori delle variabili di processo quali: portata, pressione, livelio. Cenni agli organi di regolazione elettrici e pneumatici. Sistema di regolazione ON-OFF Modena, ottobre 2016 6