Chimica Industriale

L’insegnamento prevede 3 CFU per lezioni teoriche e 3 CFU per esercitazioni di calcolo, corrispondenti ad un totale di 60 ore di impegno. Derivazione e risoluzione numerica di modelli matematici ai principi primi di processi chimici Derivazione di modelli ai principi primi Modelli basati sull’approssimazione di equilibrio termodinamico; modelli basati su una descrizione della cinetica di processo; sistemi batch e sistemi in continuo; punti stazionari di processi continui; stabilità di punti stazionari; Metodi numerici per la analisi di modelli matematici Algoritmi per la soluzione di sistemi di equazioni non lineari: nozioni introduttive (soluzione approssimata, errore, tolleranza e velocità di convergenza); metodi di bracketing (bisezione, falsa posizione); metodo del punto fisso; metodo di Newton. Algoritmi per l’integrazione di equazioni differenziali ordinarie: nozioni introduttive (struttura dell’algoritmo, metodi one-step e multi-step, metodi impliciti ed espliciti); metodo di Eulero; stabilità dell’algoritmo numerico; metodo del Trapezio; metodi multi-step; Algoritmi di ottimizzazione: introduzione ai metodi per la risoluzione di problemi di ottimizzazione non vincolata e vincolata. Esercitazioni di calcolo in ambiente Matlab: introduzione all’uso di Matlab; determinazione delle soluzioni stazionarie di sistemi in continuo attraverso soluzione numerica delle equazioni di bilancio; analisi della dinamica di unità di processo attraverso integrazione numerica di equazioni differenziali; stima parametri cinetici e termodinamici mediante regressione non lineare di dati sperimentali. Elaborazione e simulazione di reti di unità di processo Fasi di elaborazione di uno schema di processo: processi continui e batch, struttura ingresso-uscita dello schema di processo, struttura di riciclo, sintesi della sezione di separazione, bilancio di energia. Tecniche per la simulazione di reti di unità di processo: soluzione sequenziale delle equazioni di bilancio delle differenti unità, soluzione simultanea delle equazioni di bilancio delle diverse unità; Esercitazioni di calcolo: introduzione all’utilizzo di simulatori industriali. Valutazione dell’impatto ambientale attraverso analisi del ciclo di vita Introduzione all’analisi del ciclo di vita: cenni storici, definizione di sostenibilità e sua valutazione attraverso analisi del ciclo di vita, identificazione delle successive fasi dell’analisi del ciclo di vita, definizione di unità e di flussi, tecno-sfera ed ecosfera, sistemi foreground e background. Obiettivo e scopo: funzione, unità funzionale, flusso di riferimento, definizione dei confini del sistema di interesse, regole di cut-off, qualità dei dati e valutazione dell'incertezza, definizione delle categorie di impatto. Inventario del ciclo di vita: identificazione delle unità e dei flussi di processo; tecniche per l’analisi di processi multifunzionali (suddivisione, espansione e allocazione); elaborazione dell’inventario del ciclo di vita; Quantificazione dell’impatto: determinazione degli impatti associati ai flussi elementari (classificazione e caratterizzazione), analisi dei risultati (definizione di pesi per gli impatti in diverse categorie e normalizzazione); Esercitazioni di calcolo: analisi del ciclo di vita di processi complessi attraverso l’applicazione del software Open LCA (https://www.openlca.org/) Analisi economica del processo Analisi dei costi: costi di investimento, costi operativi, valutazione dei costi al variare della capacità di processo (economie di scala). Indicatori per la valutazione della fattibilità economica di processo: profitto, ritorno sull’investimento, valore attuale del capitale, tasso interno del rendimento. Esercitazioni di calcolo: analisi economica accoppiata alla simulazione di processo.

Le seguenti conoscenze fornite dai corsi di chimica fisica e impianti chimici della laurea triennale e dal corso di analisi e controllo dei processi chimici della laurea magistrale possono agevolare la comprensione delle tematiche affrontate: applicazione dei principi della termodinamica per lo sviluppo di modelli matematici di processi chimici, analisi dei fenomeni di trasporto di materia e di energia in impianti chimici, elementi di base per lo studio della dinamica dei sistemi.

Per la parte di simulazione numerica e valutazione della fattibilità economica di processi chimici, materiale didattico preparato e fornito dal docente. Per la parte relativa ai metodi di valutazione dell'impatto ambientale, si suggerisce il seguente riferimento: Michael Z. Hauschild, Ralph K. Rosenbaum, Stig Irving Olsen, Life Cycle Assessment, Theory and Practice, Springer (2018) Un riferimento utile per la parte di simulazione numerica e valutazione della fattibilità economica è: Lorenz T. Biegler, Ignacio E. Grossmann, Arthur W. Westerberg - Systematic Methods of Chemical Process Design -Prentice Hall (1997)

In presenza

- Colloquio orale di verifica dell’apprendimento. - Svolgimento di un progetto proposto dal docente. Il progetto includerà l’analisi di processi di interesse attraverso applicazione dei metodi illustrati (simulazione numerica, analisi dell’impatto ambientale e analisi economica di processi chimici). Una parte del colloquio orale includerà la discussione del progetto.

Il corso è strutturato in lezioni teoriche frontali. Le lezioni si svolgono settimanalmente in aula e l’esposizione avviene mediante l’utilizzo di diapositive su power-point e mediante scrittura alla lavagna.