Obiettivi Formativi

Lo scopo del corso è fornire allo studente le conoscenze scientifiche ed ingegneristiche di base per l'analisi dei processi chimici industriali. Lo studente deve inoltre dimostrare conoscenza della chimica dei materiali e delle leggi chimiche e fisiche dei fenomeni catalitici eterogenei per l’analisi delle principali classi di reazioni chimiche industriali.

Learning Goals

The aim of the course is to provide the student with a basic background of scientific and engineering knowledge for the analysis of industrial chemical processes. The student should demonstrate a good skill of the materials chemistry and physical and chemical phenomena of heterogeneous catalytic reactions for the analysis of the main classes of industrial chemical reactions.

Metodi didattici

Lezioni teoriche, esercitazioni numeriche e di laboratorio

Teaching Methods

Lectures, numerical exercises and laboratory

Prerequisiti

Principi di base di Chimica Generale, Inorganica e Chimica Fiisica

Prerequisites

Basic principles of General, Inorganic and Physical Chemistry

Verifiche dell'apprendimento

Esame orale

Assessment

Oral examination

Programma del Corso

A0 - INTRODUZIONE Chimica industriale e catalisi; Catalisi e Chimica Ambientale; Green Chemistry A1 – TERMODINAMICA APPLICATA Nozioni Fondamentali di Termodinamica. Equilibrio Termodinamico e reazioni chimiche. Costante di equilibrio ed energia libera. Entropia e coordinate di reazione. Costante di equilibrio e composizione di un sistema termodinamico. Conversione all’equilibrio termodinamico. Equilibri multipli. Resa delle reazioni chimiche. Influenza della T e della P sulla resa delle reazioni chimiche. Diagramma di Francis. Analisi termodinamica dei processi industriali. Esercitazioni numeriche. A2 – CATALISI e CATALIZZATORI Definizione e Classificazione dei Catalizzatori. Applicazioni Industriali. Catalizzatori in Bulk e Supportati. Struttura e Componenti dei Catalizzatori Eterogenei. Fasi Attive. Supporti e Promotori – Catalizzatori bifunzionali. Preparativa di Catalizzatori in Bulk. Preparativa dei Catalizzatori Supportati. Trattamenti Termici, Attivazione e Formatura. Adsorbimento fisico e chimico: isoterme di Adsorbimento. Analisi statistica delle dimensioni delle particelle e calcoli della dispersione e del diametro medio. Determinazione dell’area superficiale totale - metodo BET; t-plot. Determinazione della struttura porosa - metodo BJH; porosimetria a Hg. A3 – CINETICA APPLICATA Richiami sulle principali grandezze, definizioni e relazioni cinetiche. Caratteristiche cinetiche dei sistemi chimici: cinetiche semplici e complesse.Equazioni cinetiche ordine 0, 1 e 2. Criteri per lo studio della cinetica dei sistemi chimici. Energia di attivazione. Legge di Arrhenius. Cinetica di reazioni complesse in reattori stazionari e batch. Cinetica delle reazioni catalitiche gas-solido. Legge di potenza: equazioni empiriche. Modelli cinetici Langmuir-Hinshelwood, Hougen e Watson, Rideal e “dual-site”. Principio della microreversibilità. Limiti dei modelli cinetici. Effetto di compensazione. Influenza della T sulla velocità delle reazioni catalitiche gas-solido. Determinazione sperimentale della velocità di reazioni catalitiche gas-solido. Performance, produttività e disattivazione dei catalizzatori industriali. Esercitazioni numeriche. A4 – DIFFUSIONE Principi teorici della diffusione di materia ed energia. Diffusione esterna e interna: leggi e criteri teorici e pratici per la valutazione delle resistenze diffusionali sulla cinetica di reazione. A5 –REATTORI CHIMICI Generalità e Classificazione. Reattore con “flusso a pistone” (PFR) ideale. Reattori continui a mescolamento ideali (CSTR) e batteria di CSTR. Confronto CSTR e PFR. Bilancio di massa e di energia. Reattori da laboratorio.

Course Syllabus

A0 - INTRODUCTION Industrial chemistry and catalysis; Catalysisand Environmental Chemistry; Green Chemistry A1 – APPLIED THERMODINAMICS Basic principles of Thermodynamics.Thermodynamic equilibrium and chemical reactions.Equilibrium constant and free energy.Entropy and reaction co-ordinates.Equilibrium constant and composition of a thermodynamic system.Equilibrium conversion.Composite equilibria. Yield of chemical reactions. Influence of T and P on yield. The Francis diagram.Thermodynamic analysis of industrial processes.Exercises. A2 – CATALYSIS & CATALYSTS Definition and classification of catalysts.Industrial applications.Bulk and Supported Catalysts.Structure and composition of heterogeneous catalysts.Active phases.Carriers and promoters – bifunctional catalysts.Preparation of bulk catalysts.Preparation of supported catalysts.Thermal treatments, activation and shaping. Physical and chemical adsorption: adsorption isotherms. Statistical analysis of particle size and calculation of dispersion and mean particle size. Total surface area measurement – BET method; t-plot. Porous structure – BJH method and Hg-porosimetry. A3 – APPLIED KINETICS Main quantities, definitions and kinetic relationships. Kinetic characteristics of chemical systems: simple and complex kinetics. Kinetic equations 0, 1 and 2nd order.Criteria for the study of kinetics in chemical systems.Activation energy.The Arrhenius’s law.Complex Rate equations.Kinetics of complex reactions in stationary and batch reactors.Kinetics of gas-solid reactions.The powers’ law.Langmuir-Hinshelwood,Hougen-Watson,Ridealand “dual site” kinetic models.The micro-reversibility principle.Limits of the kinetic models.The compensation effect. Influence of T on the rate of gas-solid catalytic reactions. Experimental calculations of the gas-solid catalytic reactions rate.Performance, productivity and deactivation of industrial catalysts.Exercises. A4 – DIFFUSION Principles of mass and heat transfer. External and internal diffusion: evaluation of mass transfer resistances on reaction kinetics. A5 – CHEMICAL REACTORS Basic principles and classification.Ideal Plug Flow Reactor (PFR).Ideal continuous stirred tank reactors (CSTR) and set of CSTR.Comparison of PFR and CSTR. Mass and heat balance. Lab reactors.