Modelli di reattori chimici (primo modulo da 6 CFU del corso annuale integrato da 12 CFU Modelli di reattori chimici – Processi di combustione)
Prof. Gaetano Continillo
Programma svolto - A.A. 2010/11
Reattori chimici e processi chimici: ruolo dei processi fisici e chimici. Reazioni chimiche, fluidodinamica.
Importanza dei modelli matematici. Modelli a parametri concentrati e a parametri distribuiti. Approccio di sistema. Volume e massa di controllo. Variabili di stato. Grandezze rilevanti: concentrazione, temperatura, portata, velocità. Velocità di reazione: espressioni cinetiche, dipendenza da concentrazione e temperatura.
Ordine della reazione. Regime stazionario e transitorio. Bilanci di materia e di energia per l’intero reattore.
Bilanci di materia e di energia per volumi di controllo infinitesimi.
Reattori ideali: ipotesi semplificative. Reattore discontinuo a tino perfettamente miscelato (BATCH), reattore continuo perfettamente miscelato (CSTR), reattore tubolare con flusso a pistone (PFR).
Bilancio di materia per un reattore BATCH per una reazione irreversibile con un solo reagente, in condizioni isoterme ed a volume costante. Grado di conversione. Tempo di reazione. Equazione di progetto per un reattore BATCH, in condizioni isoterme per una reazione irreversibile con un solo reagente, con
espressione cinetica generica. Equazione di analisi/verifica. Equazione di progetto per un reattore BATCH, in condizioni isoterme per una reazione irreversibile con cinetica del primo ordine. Forma adimensionale dell’equazione di bilancio di materia: numero di Damköhler. Progetto di reattore BATCH con cinetica del secondo ordine.
Bilancio di materia per un CSTR per una reazione irreversibile con un solo reagente, in condizioni isoterme, stazionarie ed a volume costante. Tempo di residenza. Grado di conversione. Forma adimensionale
dell’equazione di bilancio per un CSTR. Equazione di progetto ed equazione di analisi/verifica per un CSTR per una reazione irreversibile con un solo reagente, in condizioni isoterme, stazionarie ed a volume costante. CSTR in regime non stazionario: andamento nel tempo della concentrazione/conversione.
Reazione del primo ordine: formulazione adimensionale. Effetto del numero di Damköhler.
Reazioni reversibili e condizione di equilibrio. CSTR con una reazione reversibile in condizioni isoterme, stazionarie ed a volume costante.
Moto dei fluidi: equazione di continuità in condotto unidimensionale con velocità, densità e area della sezione trasversale variabili. Casi particolari: moto incomprimibile (densità costante) e moto incomprimibile in condotto con area della sezione trasversale costante.
Bilancio di materia per un PFR per una reazione irreversibile con un solo reagente, in condizioni isoterme, stazionarie ed a densità costante. Equazione costitutiva o di progetto di un PFR. Grado di conversione.
Reazione del primo ordine: Equazione di analisi/verifica.
Diffusione molecolare nei fluidi. Mescolamento diffusivo e convettivo. Flusso diffusivo di materia. Legge di Fick. Diffusione stazionaria. Formulazione adimensionale del bilancio di materia in un PFR con diffusione assiale. Numero di Péclet. Confronto fra contributo diffusivo e contributo convettivo.
Sistemi isotermi a densità/volume variabile (reazioni non equimolari). Coefficiente di dilatazione cubica.
Grado di conversione per sistemi a densità/volume variabile. Bilancio di materia ed equazione di progetto per un reattore BATCH per una reazione irreversibile con un solo reagente, in condizioni isoterme ed a
volume variabile. Bilancio di materia ed equazione di progetto per un reattore PFR per una reazione irreversibile con un solo reagente, in condizioni isoterme ed a densità variabile.
Equazioni di progetto con grado di conversione diverso da zero in ingresso al reattore.
Caso di una reazione con due reagenti: come esprimere la velocità di reazione in funzione della
concentrazione/grado di conversione di uno solo dei due reagenti. Nozione di reagente limitante. Ordine apparente della reazione.
Confronto fra reattori. Analogia delle equazioni di governo di reattori BATCH e PFR. Confronto PFR-CSTR per reazioni di vario ordine. Il PFR come serie di CSTR. Confronto fra soluzione analitica e soluzione approssimata (numerica) dell’equazione di bilancio di un PFR. La soluzione numerica come modello di una serie di CSTR. Visualizzazione del tempo di residenza nel diagramma di Levenspiel [ 1/r(x) contro (1-x) ].
Reattori in parallelo. Caso di due CSTR in parallelo: ripartizione ottimale delle portate. Analogia con il caso di due PFR in parallelo. Reattori in serie. Due PFR in serie. Differenza con il caso di due CSTR in serie. Scelta ottimale della conversione intermedia. Reattori di tipo diverso in serie.
Reattore PFR con alimentazione distribuita lungo il reattore.
Reazioni autocatalitiche. Reattore con riciclo. Rapporto di riflusso. Equazione di progetto di un PFR con riciclo. Effetto del riciclo. Rapporto di riflusso ottimale.
Sistemi BATCH con due o più reazioni. Selettività di una specie rispetto a un’altra. Selettività
istantanea/locale, selettività globale. Resa di una reazione. Estensione dei concetti e delle definizioni ad un reattore PFR. Selettività globale e resa per un CSTR. Relazione fra selettività globale, resa e conversione.
Confronto fra reattori in termini di selettività e resa. Esempi: reazioni in parallelo, reazioni in serie, reazioni in serie/parallelo. Ottimizzazione della selettività e/o della resa con opportuna scelta del grado di
conversione e sua influenza sulla scelta della soluzione reattoristica.
