73498 - TERMODINAMICA PER L'INGEGNERIA CHIMICA M

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Energia pulita e accessibile Industria, innovazione e infrastrutture Città e comunità sostenibili Agire per il clima

Anno Accademico 2018/2019

Conoscenze e abilità da conseguire

Fornire le conoscenze e le metodologie specialistiche della termodinamica generale e della termodinamica chimica, volte all'analisi termodinamica dei processi, alla valutazione anche previsionale delle proprietà termodinamiche di sostanze pure, di miscele, degli equilibri chimici e di fase.

Programma/Contenuti

Conoscenze in ingresso: termodinamica delle sostanze pure, delle miscele e delle reazioni chimiche (primo livello). Analisi I e II, Fisica I, Calcolo Numerico.  

Cos'è la termodinamica, e cosa sta diventando: approcci macroscopici e molecolari. Introduzione alla meccanica statistica. Dinamica molecolare. Modelli per il potenziale binario. 
Richiami alle grandezze termodinamiche (energia interna, entropia, energia libera) e alla loro stima mediante tabelle e diagrammi. Richiami al primo principio della termodinamica ed al bilancio di energia.
Metodi per la descrizione delle sostanze reali:
Equazione del Viriale. Determinazione dei parametri da considerazioni molecolari.
Equazione di van der Waals: derivazione, parametri e uso.
Principio degli stati corrispondenti e correlazioni generalizzate a due e tre parametri, fattore acentrico, metodo di Lee-Kessler. Introduzione alle equazioni di stato per il calcolo delle grandezze termodinamiche nel caso di composti puri. Espressioni per lo scostamento da gas perfetto a T, p e a T, V costanti.
Equazioni cubiche ingegneristiche: RKS e PR e calcolo di proprietà di stato. Uso delle equazioni di stato per la risoluzione di problemi. Metodo esplicito per il calcolo delle soluzioni. Uso delle equazioni cubiche in problemi con soluzione iterativa: temperatura di uscita da un compressore isoentropico.
Cenni alle equazioni stato non cubiche: tipo lattice fluid (LF) e a catene di sfere rigide (SAFT). Metodi perturbativi.
Metodi ai contributi di gruppo, ed esempi di applicazione per la stima di parametri dei composti puri. Metodo di Joback e di Constantinou e Gani.
Soluzione di esercizi con equazioni di stato e correlazioni generalizzate. 
Secondo principio della termodinamica; equazioni di Maxwell. Applicazione del secondo principio al calcolo del lavoro massimo e minimo ed all'analisi termodinamica dei processi, ai cicli di potenza e frigoriferi e alle macchine.
Efficienza energetica dei processi: entropia generata come misura generale di efficienza energetica di un processo: applicazione allo scambio termico, relazione tra entropia generata e lavoro perso. 
Produzione di energia: Cicli di potenza ad elevata efficienza e con uso di fonti rinnovabili: cicli rigenerativi, con risurriscaldamento, ciclo OTEC, cicli geotermici. Scelta del fluido di lavoro ottimale sulla base di considerazioni energetiche ed ambientali 
Raffreddamento e condizionamento, condensazione e criogenia: Cicli frigoriferi a compressione di vapore semplici e in cascata, pompe di calore. Cicli ad assorbimento. Efficienza energetica: considerazioni.
Cicli criogenici: ciclo semplice, di Linde e di Claude e confronto con cicli frigoriferi a compressione di vapore.  
Equilibrio LV e sua stabilità: stati metastabili, stabili e instabili determinati con una equazione cubica. La fugacità come criterio di stabilità dell'equilibrio.

La teoria delle miscele.
Generalità: Equazione di Gibbs-Duhem. Richiami alla fenomenologia del comportamento di miscele. Grandezze parziali molari, regola dell'intercetta. Grandezze di mescolamento e calcolo delle grandezze parziali molari da dati sperimentali. Espansioni di Redlich-Kister . Scrittura del bilancio di energia per sistemi non ideali ed esempi di applicazione. 
Richiami sulla descrizione del comportamento delle miscele, miscele ideali e non. Fugacità di composti in miscela. Coefficiente di fugacità. Attività nei vari riferimenti, coefficiente di attività e sua variazione con temperatura e pressione.
Modelli ai coefficienti di attività matematici e fisici: Van Laar e sua derivazione rigorosa dall'equazione di Van der Waals. Uso di Van Laar in modalità correlativa. Modello di Margules a uno, due e tre parametri. Modello di Hildebrand e Scatchard e parametro di solubilità. Modello di Wilsone NRTL. Modello di Flory-Huggins, modelli UNIQUAC e UNIFAC. Esercizi con uso di modelli in modalità previsionale e correlativa.
Equilibri LV di miscele: Legge di Raoult generalizzata. Calcolo di punti di bolla e di rugiada: procedura iterativa con uso di modelli. Condizioni azeotropiche. Applicazione alla distillazione. 
Consistenza termodinamica e sua verifica con metodo integrale da dati di equilibrio LV: procedura numerica.
Equilibri LL di miscele : stabilità di una miscela, lacuna di miscibilità e sua determinazione.
Determinazione dei parametri dei modelli ai coefficienti di attività con metodo numerico da dati sperimentali di equilibrio LV e LL a bassa pressione. Soluzione di esercizi di equilibrio LV e LL in via previsionale con modelli.
Altri equilibri di fase:
Equilbrio LLV. Azeotropi omogenei ed eterogenei.
Solubilità di gas in liquidi: legge di Henry.
Equilibrio Osmotico. Pressione osmotica e applicazione all'osmosi inversa. 
Equilibri LV di miscele ad alte pressioni: fenomenologia e modellazione con equazioni di stato. Regole di mescolamento di van der Waals e di Wong-Sandler. 
Equilibri chimici.
Costante di equilibrio e suo utilizzo per il calcolo del gradi di avanzamento di una reazione in sistemi ideali e non. Variazione dell'equilibrio con la temperatura e la pressione. Bilancio di energia per un sistema reagente. 
Reazioni adiabatiche e calcolo della temperatura adiabatica di reazione. 
Reazioni simultanee: calcolo del numero di reazioni indipendenti e determinazione della composizione di equilibrio.
Reazioni eterogenee: decomposizione dei solidi e ossidazione dei metalli. 
Equilibrio simultaneo chimico e fisico.

Testi/Bibliografia

S. I. Sandler, "Chemical and Engineering Thermodynamics " Third Edition, Wiley and Sons (1999)

R. C. Reid, J. M. Prausnitz, and B. E. Poling, \The Properties of Gases and Liquids", McGraw-Hill, New York (1987).

J. M. Prausnitz, R. N. Lichtenthaler, E. G. de Azevedo, Molecular Thermodynamics of Fluid-Phase Equilibria 3rd Edition Prentice Hall New Jersey 1999

J. M. Smith, H. C. Van Ness, Michael M. Abbott - Introduction To Chemical Engineering Thermodynamics: Chemical Engineering Thermodynamics (7th Edition) McGraw-Hill Education, 2005

Metodi didattici

Lezioni ed esercitazioni in aula, slides, esempi d'esame risolti con procedura numerica, video, questionari di autovalutazione.

Modalità di verifica dell'apprendimento

Il voto finale consiste della media del voto conseguito durante una prova scritta e durante una prova orale.
Per studenti iscritti nell'AA 2017/18 si può scegliere se seguire le vecchie o nuove modalità d'esame, iscrivendosi nella corrispondente lista su Almaesami.

Regole:
1) Se si viene respinti, o si rifiuta il voto, alla prova orale, va ripetuto lo scritto
2) La prova orale può essere sostenuta fino alla sessione successiva a quella di superamento dello scritto (inverno-->estate; estate-->autunno; autunno-->inverno)
3) Non sono previsti appelli straordinari al di fuori delle sessioni d’esame 
4) entro 5 gg dalla data di superamento dell'esame si deve decidere se verbalizzare il voto conseguito, o rifiutare e ripetere la prova (per una sola volta)
5) in caso di rifiuto, si deve ripetere anche la prova scritta
6) al secondo superamento dell'esame, il voto viene verbalizzato automaticamente e l'esame non può essere ripetuto ulteriormente .

Durante la prova scritta si possono usare:
1) Calcolatrice e/o laptop.
2) Fogli Excel o Programmi Matlab o Mathematica caricati sul proprio Laptop
3) Tabelle fornite sulla piattaforma IOL caricate dal docente

Durante la prova scritta NON si può:
1) Consultare testi, appunti, esercizi svolti in qualsiasi formato (digitale e cartaceo)
2) Usare per la soluzione degli esercizi tabelle diverse da quelle fornite
3)Essere connessi alla rete Internet con qualsiasi dispositivo (mettere in modalità aereo sia pc che telefono)

Strumenti a supporto della didattica

Lezioni alla lavagna e al proiettore, slides, esercizi, video, questionari.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Maria Grazia De Angelis