Reattori Chimici e Biochimici

1. Reattori Chimici e Biochimici Maurizio Fermeglia DIA Maurizio.fermeglia@di3.units.it www.Mose.units.it

2. L’importanza delle reazioni chimiche • Reazioni chimiche sono tecnologie fondamentali nella maggior parte dei processi chimici • Le caratteristiche delle reazioni influenzano pesantemente le condizioni di separazione • Reattori ideali sono semplici da trattare • Normalmente i reattori ideali sono sufficienti per bilanci di materia e di energia

3. Ingegneria delle reazioni chimiche • Origini • Ingegneria delle reazioni chimiche è nata come disciplina per risolvere problemi originati dalla petrolchimica e dall’industria chimica tra il 1940 ed il 1950. • Oggi viene utilizzata in campi molti diversi dalle origini e per applicazioni molto lontane dall’ingegneria chimica classica • Cos’è l’ingegneria delle reazioni chimiche • CRE ha a che fare con sistemi reattivi di interesse per l’ingegneria • CRE è una disciplina che quantifica le interazioni tra i fenomeni di trasporto e la cinetica di reazione e mette in relazione le performance di un reattore con le condizioni operative e le variabili della carica

4. Perchè studiare CRE? • CRE è necessario allo sviluppo di tecnologie esistenti e nuove • CRE è necessario per velocizzare la commercializzazione di nuove specie e sostanze chimiche, materiali (materie plastiche) e prodotti farmaceutici • Sviluppo di celle a combustibile per automobili • Sviluppo di processi biochimici e bio tecnologici • Processi nuovi per produzione di gas di sintesi • Nuovi reattori per la sintesi di catalizzatori a base di metallocene • Esplorazione di catalizzatori per lo sviluppo di nuovi processi particolarmente economici • CRE è critico per il miglioramento ambientale di processi chimici esistenti • CRE è forse il maggior responsabile della differenza del curriculum dell’ingegnere di processo da altri ingegneri

5. Visione di come dovrebbe diventare un impianto chimico. (Rendering courtesy of DSM) OPERARE con Processi NON inquinanti e orientati alla INTENSIFICAZIONE DI PROCESSO Risparmio di circa 30 % (Materie Prime + Energia + Costi Operativi)

6. Ingegneria delle reazioni chimiche: applicazioni

7. Cosa fa un ingegnere di processo? • Fonte: AIChE 7 6 5 1 2 3 4

8. Cosa fa un ingegnere di processo? Biochimica ed Ingegneria biomedica Biofarmaceutica, produzione di enzimi Organi artificiali Ingegneria dei tessuti Ingegneria del metabolismo Genomica e proteomica Tecnologia delle fermentazioni Trattamento rifiuti Materiali Biomedici

9. Cosa fa un ingegnere di processo? Energia e combustibili Raffinazione del petrolio Gas Naturale Celle a combustibile Fonti energetiche alternative Generazione di energia pulita Ingegneria Alimentare Nuovi alimenti Additivi per cibo Ottimizzazione del gusto Packaging Shelf life

10. Cosa fa un ingegnere di processo? Elettronica Strato sottile e processi in bulk Sviluppo di materaili Semiconduttori Trattamento delle scorie Progetto delle macchine Tecnologie di Nano-scala

11. Cosa fa un ingegnere di processo? Ambiente, sicurezza, salute … Minimizzazione degli scarti Sicurezza dei trasporti Sicurezza degli impianti Protezione proprietà intellettuale Insegnamento Finanza Ambienti governativi

12. Cosa fa un ingegnere di processo? Processi per prodotti chimici Prodotti per agricoltura Gas industriali Vernici, pigmenti, inchiostri Petrolchimica Plastica, compositi Carta Sapone e cosmetici Tessuti sintetici, films, fibre Costruzione e progetto di impianti Progetto di unità e di impianti Upgrade e retrofits Controllo di impianti Information technology Gestione di progetti

13. (in 10 9 kg) Sulfuric acid 39.62 Ethylene 25.15 Lime 20.12 Phosphoric acid 16.16 Ammonia 15.03 Propylene 14.45 Chlorine 12.01 Sodium hydroxide 10.99 Sodium carbonate 10.21 Ethylene chloride 9.92 Nitric acid 7.99 Ammonium nitrate 7.49 Urea 6.96 Ethylbenzene 5.97 Styrene 5.41 Hydrogen chloride 4.34 Ethylene oxide 3.87 Cumene 3.74 Ammonium sulfate 2.60 1,3-Butadiene 2.01 Produzione chimica in US

14. Produzione di acido solforico

15. Produzione di Etilene • L’etilene viene usata per la produzione di poli etilene, la più famosa materia plastica del mondo • NOVA Chemicals and Dow Chemical a Joffre • La più grande capacità produttiva di etilene nel mondo • Il più grande impianto di etilene nel mondo C 2 H 6 C 2 H 4 + H 2 Reattori tubulari ad alta temperatura

16. Produzione di poli etilene a bassa densità

17. Produzione di poli etilene lineare a bassa densità

18. Produzione di Nylon 6,6

19. Reattori catalitici in automobili

20. Microelectronic devices • Ingegneria delle reazioni chimiche per la fabbricazione di dispositivi per la microelettronica • CVD (deposizione di materiale – SiO2) • Boron doping o ion-implementation (cambio di conduttività • Etching (rimozione di materiale)

21. CVD per l’industria microelettronica

22. Fuel cells: Power station & Automotive

23. Celle a combustibile (Fuel Cells)

24. Celle a combustibile: processo semplificato con reformer esterno Anode Reformer H2 Natural Gas Cleanup Cathode Exhaust Gas Burner Water Cleanup Air

25. Reforming Interno

26. Schema concettuale per un MCFC da 50 MW

27. Obiettivi del corso

28. Obiettivi del corso • Sviluppare una metodologia generale utile da applicare alla risoluzione di vari sistemi: • chimici (come produzione di sostanze chimiche, abbattimento degli inquinanti,…) • biochimici e biologici (come crescite enzimatiche, crescita di cellule,…) • elettrochimici (come celle a combustibile) • …. • Dove l’ingegneria delle reazioni è necessaria • Argomenti fondamentali: • Cinetica Chimica • Progettazione di Reattori Chimici

29. Obiettivi del corso • Cinetica Chimica • Ha a che fare con quanto velocemente procede una reazione (velocità di reazione) • Ha a che fare con meccanismi di reazione • Ha a che fare con effetti di P,T, composizione e catalisi sulla velocità di reazione • Progetto di reattori chimici • Ha a che fare con il dimensionamento di reattori • Ha a che fare con tipi e configurazioni di reattori • Coinvolge considerazioni su trasferimento di calore e massa • Reazione chimica … in contrapposizione a reazione nucleare

30. Piloni dell’ Ingegneria delle reazioni chimiche Multiple reactions Mass Transfer operations Non isothermal operations, multiple steady state Modeling real reactors, RTD, Dispersion, Segregation Analysis of rate data, laboratory reaction, least-square analysis Design Chemical Reaction, PFR, CSTR, Batch, SemiB,... Mole Balances Rate Laws Stoichiometry Energy Balances Diffusion Contacting

31. Pre requisiti • Chimica generale • Reazioni chimiche • Equilibrio e cinetica • Stechiometria • Principi di ingegneria chimica • Bilanci di materia e di energia • Proprietà volumetriche di gas reali • Fondamenti di bilanci integrati di materia e di energia • Termodinamica • Equilibrio chimico • Attività e coefficienti di attività • Informatica e matematica • Manualità in Excel • Soluzione di sistemi di eq. differenziali ordinarie • Soluzione di sistemi non lineari • Minimizzazione di funzioni

32. Argomenti del corso • Concetti di base di cinetica chimica omogenea, richiami di termodinamica e progetto di reattori per sistemi semplici (reattori ideali e singole reazioni) • 1 – Bilanci di mole, Tipi di reattori • 2 – Conversione e dimensionamento di reattori • 3 – velocità di reazione, leggi cinetiche e stechiometria • 4 – progetto di reattori isotermi • Reattori ideali: effetti termici e reazioni multiple • 5 – Analisi di dati di velocità di reazione • 7 – Meccanismi di reazione, bio reazioni e bioreattori • 8 – Progetto di Reattori non isotermi • Sistemi complessi e reattori reali • 6 - Reattori multipli e reazioni multiple • 10 – reazioni eterogenee • 11 – 12 - Diffusione e reazione chimica • 13 – 14 - Reattori non ideali e distribuzione di tempi di residenza

33. Logistica

34. Orario • Lunedì, Martedì e Mercoledì: 17.30 – 19.00 • Giovedì: 8.30 – 11.00 • Lezioni in aula Arich • Esercitazioni su PC propri

35. Testi di riferimento • Elements of ChemicalReaction Engineering di H.ScottFogler, 4rd Edition, Prentice Hall • Risorsa aggiuntiva: CD-ROM • Summary Notes • Interactive Computer Modules • SolvedProblems - Thoughts on ProblemSolving • Risorse Web • http://www.engin.umich.edu/~cre/ • Testi di riferimento • ChemicalReaction Engineering by OctaveLevenspiel, 3rd Edition, Wiley & Sons • An Introduction to Chemical Engineering Kinetics & Reactor Design by C.G. Hill, Wiley & Sons • Slides e materiale del corso • http://studenti.di3.units.it

36. Metodolgia di esame: prove pratiche • Esercizi a casa • Forniti in aula • Possono essere esercizi teorici, numerici, al calcolatore • Da consegnare risolti entro una certa data via email • I prova scritta • Al termine della parte 1 (Reattori ideali isotermi) • Alcuni problemi da risolvere a mano con calcolatrice da tavolo • A disposizione tutti i manuali professionali e le fonti di dati • II prova scritta • Al termine della parte II (reattori non isotermi) • Stesse metodologie di cui sopra • Team work • Discussione di un progetto da sviluppare al calcolatore • Sviluppo in gruppo

37. Metodologia di esame • Il voto dell’esame è dato dai seguenti contributi: • Esercizi a casa fino a 5 punti • Esercizi in aula (provette) fino a 15 punti • Team work fino a 15 punti • Prova orale eventuale arrotondamento • Prova orale • Tradizionale per chi non ha superato le prove pratiche o per chi non le ha fatte • Volontaria per chi volesse arrotondare.

38. Strumenti e modalità didattiche • Lezioni teoriche su slides tipo PPT, che saranno rese disponibili volta per volta sul sito del corso. • Esempi in classe (circa 50% del tempo dedicato ad aspetti pratici) da svolgere mediante calcolatore tascabile – foglio Excel – programmi di simulazione (Polymath) • Home work • Dialogo con il docente • Via email • In qualsiasi momento su appuntamento (da prendere via email ) • Riempire il modulo con gli indirizzi di e mail