Chimica fisica industriale
A.A. 2025/2026
Learning objectives
L'insegnamento costituisce un'introduzione ai fenomeni di trasporto applicati ai processi chimici industriali. I principali obiettivi formativi del corso sono:
i) la comprensione teorica dei fenomeni di trasporto (quantità di moto, calore e massa);
ii) lo sviluppo dei modelli matematici utilizzando le leggi della termodinamica e i principi di conservazione per analizzare e risolvere i bilanci di quantità di moto, energia e massa applicati sia a condizioni stazionarie che a quelle transitorie;
iii) la comprensione dell'analisi dimensionale seguita dalla correlazione dei dati sperimentali per risolvere i complessi casi pratici di fluidodinamica (calcolo delle predite di carico), di trasferimento di calore per convezione (calcolo dei coefficienti liminari) e di trasferimento di massa;
iv) Acquisire familiarità con strumenti numerici e software per la simulazione e l'analisi dei fenomeni di trasporto, come il metodo degli elementi finiti (FEM) o la simulazione di flussi in reattori e scambiatori di calore;
v) apprendimento di alcuni aspetti fondamentali della catalisi eterogenea come la fluidodinamica attraverso un letto di particelle o gli aspetti diffusivi attraverso granuli catalitici solidi porosi.
i) la comprensione teorica dei fenomeni di trasporto (quantità di moto, calore e massa);
ii) lo sviluppo dei modelli matematici utilizzando le leggi della termodinamica e i principi di conservazione per analizzare e risolvere i bilanci di quantità di moto, energia e massa applicati sia a condizioni stazionarie che a quelle transitorie;
iii) la comprensione dell'analisi dimensionale seguita dalla correlazione dei dati sperimentali per risolvere i complessi casi pratici di fluidodinamica (calcolo delle predite di carico), di trasferimento di calore per convezione (calcolo dei coefficienti liminari) e di trasferimento di massa;
iv) Acquisire familiarità con strumenti numerici e software per la simulazione e l'analisi dei fenomeni di trasporto, come il metodo degli elementi finiti (FEM) o la simulazione di flussi in reattori e scambiatori di calore;
v) apprendimento di alcuni aspetti fondamentali della catalisi eterogenea come la fluidodinamica attraverso un letto di particelle o gli aspetti diffusivi attraverso granuli catalitici solidi porosi.
Expected learning outcomes
Al termine del corso, lo studente avrà acquisito un'approfondita conoscenza teorica e pratica dei principi fondamentali dei fenomeni di trasporto applicati ai processi chimici industriali. Queste conoscenze permetteranno allo studente di acquisire:
i) la capacità di modellazione matematica dei fenomeni di trasporto in sistemi chimici complessi, utilizzando le leggi di conservazione (bilanci di massa, energia, forze) e formulando equazioni appropriate per problemi reali;
ii) le competenze nella progettazione e analisi di apparecchiature industriali (dimensionamento di pompe e scambiatori di calore), ottimizzando le condizioni operative e valutandone l'impatto economico (esempio calcolo dei costi di pompaggio o dell'efficienza di un catalizzatore);
iii) l'abilità nell'uso di strumenti numerici, inclusi grafici tecnici, tabelle e software, per la simulazione e l'analisi dei processi chimici industriali, con una visione critica dei risultati ottenuti; e iv) la capacità di risolvere problemi complessi relativi all'ottimizzazione dei processi, migliorando l'efficienza energetica e la sostenibilità (esempio calcolo del risparmio energetico ed economico dovuto all'isolamento termico o al recupero del calore), per rispondere a sfide industriali reali.
i) la capacità di modellazione matematica dei fenomeni di trasporto in sistemi chimici complessi, utilizzando le leggi di conservazione (bilanci di massa, energia, forze) e formulando equazioni appropriate per problemi reali;
ii) le competenze nella progettazione e analisi di apparecchiature industriali (dimensionamento di pompe e scambiatori di calore), ottimizzando le condizioni operative e valutandone l'impatto economico (esempio calcolo dei costi di pompaggio o dell'efficienza di un catalizzatore);
iii) l'abilità nell'uso di strumenti numerici, inclusi grafici tecnici, tabelle e software, per la simulazione e l'analisi dei processi chimici industriali, con una visione critica dei risultati ottenuti; e iv) la capacità di risolvere problemi complessi relativi all'ottimizzazione dei processi, migliorando l'efficienza energetica e la sostenibilità (esempio calcolo del risparmio energetico ed economico dovuto all'isolamento termico o al recupero del calore), per rispondere a sfide industriali reali.
Periodo: Primo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento non può essere seguito come corso singolo. Puoi trovare gli insegnamenti disponibili consultando il catalogo corsi singoli.
Course syllabus and organization
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Primo semestre
Programma
1) Teoria cinetica e processi di trasporto nei gas: La pressione. Urti molecolari e cammino libero medio. Viscosità, conducibilità termica, diffusione. Modello unificato dei fenomeni di trasporto. Gas ideali e reali: potenziale di Lennard-Jones e di Stockmayer. Proprietà di trasporto e relative costanti.
2) Proprietà dei liquidi Densità, comprimibilità, viscosità. Fluidi Newtoniani e non Newtoniani. Legge di Poiseuille. Misura della viscosità dei liquidi.
3) Moto dei fluidi: Equazione del bilancio energetico, equazione di continuità, equazioni di Navier-Stokes, di Eulero e di Bernoulli. Dissipazione dell'energia. Moto nei condotti: equazione del bilancio meccanico totale. Analisi dimensionale (teorema di Buckingham e metodi di determinazione dei gruppi adimensionali). Il caso del moto dei fluidi nei condotti: numero di Eulero e numero di Reynolds, equazione di Fanning e abaco di Moody. Moto laminare non isotermo. Moto turbolento. Viscosità turbolenta (modello di Prandtl). Misuratori di portata (Venturimetro, diaframmi, tubo di Pitot e Coriolis). Moto dei gas e ugelli. Moto dei fluidi attraverso masse porose. Moto di solidi in mezzi fluidi. Pompe, NPSH e calcolo della prevalenza, della potenza e dei costi di pompaggio.
4) Trasporto di calore: Conduzione, convezione e irraggiamento. Conduzione stazionaria: legge di Fourier ed applicazioni. Equivalente termico della legge di Ohm (resistenza termica e circuiti termici equivalenti). Problemi di conduzione in sistemi complessi: determinazione del fattore di forma utilizzando il metodo degli elementi finiti (FEM) e della risoluzione delle equazioni differenziali con Matlab. Conduzione in regimi transienti: seconda legge di Fourier-Poisson ed applicazioni. Convezione naturale e forzata: coefficiente liminare ed i modelli per determinarlo (numeri adimensionali di Reynolds, Nusselt e Prandlt). Dimensionamento degli scambiatori di calori (coassiali e a fascio tubiero). Irraggiamento: spettro del corpo nero, equazioni di Plank, di Wien e di Stefan*Boltzmann. Trasmissione di energia raggiante tra superfici parallele e non (fattore di visibilità). Coefficiente di trasferimento del calore per irraggiamento. Irraggiamento di gas e vapori.
5) Trasporto di massa: Flussi diffusivi. Prima e seconda legge di Fick. Diffusione stazionaria e transiente. Diffusione e moto turbolento. Analisi dimensionale applicata al calcolo dei coefficienti di trasferimento di massa (numeri di Reynolds, Schmidt e Sherwood). Analogia e numeri di Colburn. Trasferimento di massa e calore tra fluido e superficie solida e tra fluido in moto ed un letto di particelle. Teoria dello strato limite. Teorie cinetiche del trasferimento di massa all'interfase tra due fasi fluide (del doppio film, della penetrazione e del film-penetrazione). Trasferimento di massa con reazione chimica. Trasferimento di massa e calore all'interno di masse solide porose. Il modulo di Thiele e l'efficienza dei catalizzatori in condizioni isoterme e non. Introduzione alla catalisi ed aspetti applicativi.
2) Proprietà dei liquidi Densità, comprimibilità, viscosità. Fluidi Newtoniani e non Newtoniani. Legge di Poiseuille. Misura della viscosità dei liquidi.
3) Moto dei fluidi: Equazione del bilancio energetico, equazione di continuità, equazioni di Navier-Stokes, di Eulero e di Bernoulli. Dissipazione dell'energia. Moto nei condotti: equazione del bilancio meccanico totale. Analisi dimensionale (teorema di Buckingham e metodi di determinazione dei gruppi adimensionali). Il caso del moto dei fluidi nei condotti: numero di Eulero e numero di Reynolds, equazione di Fanning e abaco di Moody. Moto laminare non isotermo. Moto turbolento. Viscosità turbolenta (modello di Prandtl). Misuratori di portata (Venturimetro, diaframmi, tubo di Pitot e Coriolis). Moto dei gas e ugelli. Moto dei fluidi attraverso masse porose. Moto di solidi in mezzi fluidi. Pompe, NPSH e calcolo della prevalenza, della potenza e dei costi di pompaggio.
4) Trasporto di calore: Conduzione, convezione e irraggiamento. Conduzione stazionaria: legge di Fourier ed applicazioni. Equivalente termico della legge di Ohm (resistenza termica e circuiti termici equivalenti). Problemi di conduzione in sistemi complessi: determinazione del fattore di forma utilizzando il metodo degli elementi finiti (FEM) e della risoluzione delle equazioni differenziali con Matlab. Conduzione in regimi transienti: seconda legge di Fourier-Poisson ed applicazioni. Convezione naturale e forzata: coefficiente liminare ed i modelli per determinarlo (numeri adimensionali di Reynolds, Nusselt e Prandlt). Dimensionamento degli scambiatori di calori (coassiali e a fascio tubiero). Irraggiamento: spettro del corpo nero, equazioni di Plank, di Wien e di Stefan*Boltzmann. Trasmissione di energia raggiante tra superfici parallele e non (fattore di visibilità). Coefficiente di trasferimento del calore per irraggiamento. Irraggiamento di gas e vapori.
5) Trasporto di massa: Flussi diffusivi. Prima e seconda legge di Fick. Diffusione stazionaria e transiente. Diffusione e moto turbolento. Analisi dimensionale applicata al calcolo dei coefficienti di trasferimento di massa (numeri di Reynolds, Schmidt e Sherwood). Analogia e numeri di Colburn. Trasferimento di massa e calore tra fluido e superficie solida e tra fluido in moto ed un letto di particelle. Teoria dello strato limite. Teorie cinetiche del trasferimento di massa all'interfase tra due fasi fluide (del doppio film, della penetrazione e del film-penetrazione). Trasferimento di massa con reazione chimica. Trasferimento di massa e calore all'interno di masse solide porose. Il modulo di Thiele e l'efficienza dei catalizzatori in condizioni isoterme e non. Introduzione alla catalisi ed aspetti applicativi.
Prerequisiti
Lo studente deve avere sufficiente padronanza dei concetti acquisiti nei corsi di base di matematica e fisica: le regole di base di integrazione e derivazione, grandezze scalari e vettoriali, i concetti di forza, accelerazione e attrito. Deve conoscere la stechiometria. Deve avere chiari i concetti fondamentali della termodinamica, tra cui la definizione ed il significato delle principali grandezze (calore, lavoro, entalpia, entropia, calori specifici, calori latenti, ecc.). In particolare si ricorda che gli esami di "Termodinamica chimica" e "Cinetica chimica con laboratorio" devono essere sostenuti prima di quello di "Chimica Fisica Industriale".
Metodi didattici
Lezioni frontali (32 h) ed esercitazioni numeriche (16 h). In particolare verranno risolti in aula casi realistici della pratica industriale, riguardanti tutti gli argomenti del corso e che simulano la prova scritta.
Materiale di riferimento
- L. Forni, I. Rossetti, Fenomeni di Trasporto, Cortina, Milano 2009;
- R. B. Bird, W. E.Stewart, E.N.Lightfoot, Transport Phenomena, 2nd Ed.,Wiley, London, 2002.
- Dispense fornite dal docente (sito ariel del corso)
- Eventuale materiale video (sito ariel del corso)
- Raccolta di problemi numerici (sito ariel del corso)
- R. B. Bird, W. E.Stewart, E.N.Lightfoot, Transport Phenomena, 2nd Ed.,Wiley, London, 2002.
- Dispense fornite dal docente (sito ariel del corso)
- Eventuale materiale video (sito ariel del corso)
- Raccolta di problemi numerici (sito ariel del corso)
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consta di una prova scritta e di una orale. Per la prova scritta è richiesta la risoluzione di un problema simile agli esercizi svolti a lezione, di cui è riportata ampia casistica sia sul sito Ariel del corso, sia sul libro di testo adottato, suddivisi in esercizi risolti e non risolti. Gli studenti possono consultare durante la prova scritta tutto il materiale che ritengono opportuno, inclusi testi, dispense, ecc. Ovviamente non è concessa la comunicazione tra gli studenti e con l'esterno, quindi non sono ammessi PC o tablet. La durata è 2 ore. Se la prova è sufficiente (voto minimo 15/30), lo studente è ammesso all'orale. La prova orale è costituita da due domande su altrettanti argomenti trattati durante il corso. Durante la valutazione della prova scritta si accerta, oltre alla capacità di impostare la soluzione, la capacità di riconoscere la ragionevolezza di un risultato. Durante la valutazione della prova orale, lo studente deve innanzitutto dimostrare di aver compreso il fondamento fisico dell'argomento trattato, i presupposti e la sua importanza in ambito applicativo. Parallelamente, deve dimostrare di riuscire a quantificare il fenomeno in esame utilizzando i modelli visti durante il corso.
CHIM/02 - CHIMICA FISICA - CFU: 6
Esercitazioni: 16 ore
Lezioni: 40 ore
Lezioni: 40 ore
Docente:
Chiarello Gian Luca
Professor(s)
Ricevimento:
Tutti i giorni previo appuntamento