La ricerca nell’ingegneria chimica: Separatori e ... · CHP SOLO® Stirling burner (Stirling...

• Cosa:

– Trasporto di massa e di calore

con fluidi multifase e

multicomponenti.

• Perchè:

– Realizzazione di prodotti

industriali.

• Applicazione:

– Industria farmaceutica.

– Industria chimica.

– Industria alimentare.

– Altre.

La ricerca nell’ingegneria chimica:

Separatori e miscelatori

• Come:

– Attività di sperimentazione

(fluidodinamica multifase,

trasporto di materia)

– Sviluppo di modelli

utilizzabili in fase di

progettazione e

ottimizzazione.


flussi multifase

• Cosa:

– Apparecchiature per la

miscelazione rapida di reagenti.

• Perchè:

– Bassi costi di produzione.

– Portabilità.

– Elevata qualità del prodotto.

• Applicazione:

– Farmaceutica.

– Biologia molecolare.

– Microelettronica.


la micromiscelazione

• Come:


(fluidodinamica multifase,

trasporto di materia)

– Sviluppo di modelli

utilizzabili in fase di

progettazione e

ottimizzazione


la micromiscelazione

• Cosa:

– Apparecchiature ed impianti di processo, in

particolare: colonne, separatori, miscelatori,

reattori

• Perchè:

– Criteri per la progettazione ed

ottimizzazione di apparecchiature

– Intensificazione dei processi mediante

sviluppo e studio di apparati innovativi


le apparecchiature e gli impianti

• Come:

– Attività di sperimentazione (fluidodinamica

multifase, trasporto di materia)

– Sviluppo di modelli utilizzabili in fase di

progettazione e ottimizzazione

0 1 2 3 4 5 60.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

6.75

14.2

21.6

.

.

.

a

W l ( m /(h m ) )3 2

0 1 2 3 4 5 60.02

0.06

0.1

0.14

0.18

0.22

0.26

W l ( m /(h m ) )3 2

100

75

5025

125

b

Liq

uid

ho

ld-u

p

F factor ( m/s (kg/m ) )3 0.5

21.6

14.2

6.75


le apparecchiature e gli impianti

• Cosa:

– Impianti industriali semplici e complessi,

sistemi di generazione di energia, sistemi di

trasporto di fluidi (gasdotti, acquedotti, ecc.)

• Perché:

– Raggiungimento di condizioni operative più

vantaggiose

– Rispetto dei limiti di sicurezza, di qualità dei

prodotti e delle emissioni


analisi, ottimizzazione e controllo

• Come:

– Attività di modellazione e simulazione

di processo

– Sviluppo e convalida di algoritmi di

ottimizzazione e controllo


analisi, ottimizzazione e controllo

La ricerca nell’ingegneria chimica:Sistemi di Controllo degli Impianti

Struttura gerarchica

Ottimizzazione:

• Controllo di qualità

• Minimizzazione dei consumi

• Gestione dei transitori

Diagnostica:

• Rapida scoperta di anomalie

• Individuazione loops non funzionanti

• Programmazione manutenzione

Impianto

Controllo di base

Controllo Avanzato

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Time (h)

1

2

3

4

5

?-

In un impianto sono presenti centinaia di circuiti di controllo da

supervisionare. Valutazione prestazioni: Impegno oneroso …

?

Progettazione di un

Pacchetto software:

Monitoraggio delle prestazioni dei

regolatori e analisi delle anomalie

Suggerimento

di una

strategia

operativa che

faciliti il

compito

dell’operatore

Strategia

SUGGERITA

!!!


Monitoraggio delle Prestazioni

• Cosa:

– Protezione di apparecchiature di processo;

criteri di progettazione basati su sicurezza

intrinseca; metodologie innovative per

analisi del rischio; incidenti derivati da

attacchi esterni o eventi naturali catastrofici

• Perchè:

– Migliorare qualità e robustezza dei processi

produttivi

– Aumentare la sicurezza dei lavoratori, della

popolazione e dell’ambiente


analisi dei rischi e sicurezza

• Come:


(caratterizzazione dei sistemi di protezione

tramite prove al fuoco)

– Sviluppo di modelli per la valutazione delle

conseguenze e della resistenza delle

apparecchiature

– Diagrammi logici, modelli di attrattività e

vulnerabilità, implementazione nell’analisi di

rischio


analisi dei rischi e sicurezza

• Cosa:

– Celle a combustibile per produrre energia

elettrica da combustibili anche rinnovabili

come l’idrogeno

• Perché:

– Elevata efficienza energetica

– Riduzione della produzione di inquinanti


energia pulita dalle celle a combustibile

• Come:

– Modellazione 3D della microstruttura della

cella

– Simulazione multi-scala del comportamento

elettrochimico per ottimizzare la cella ed

aumentarne la potenza


energia pulita dalle celle a combustibile

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Corrente [A/cm2]

Tensio

ne

[V

]

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Pote

nza

[W

/cm

2]

Portata idrogeno (Nl/min)

8

6

4

2

• Scopo:

– Separazione di specie chimiche miscelate in fasi fluide per

diffusione selettiva;

– Elettroliti solidi a membrana come conduttori ionici.


Membrane Permeo-Selettive

dx

dF

dx

ducJ H

HHH

3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.56

8

10

20

Fig. 3

R-4010

R-1010

Nafion

Cond

uctivity ∙ 1

02 / W

-1cm

-1

1000 ∙ T -1

/ K -1

)t(t c L

P

V

A(t)c 0A

B

B

• Applicazioni:

– Apparecchiature a membrana per la separazione industriale di

miscele multicomponenti in fase gassosa o liquida;

– Fuel Cells e altri sistemi elettrochimici per la generazione di energia.


Membrane Permeo-Selettive

• Cosa:Sistemi di generazione di

energia e di riscaldamento

industriale: combustione

senza fiamma


sistemi innovativi di combustione pulita

Lab-scale burners Industrial burners

Premixed

flameless

burnerSelf-recuperative FLOX® burner

(WS FLOX®)

CHP SOLO® Stirling burner (Stirling

Systems GmbH)

Jet outlet

Oxidant inlet

Ceramic shield

Perforated plate

Internal burner

Oxidant inlet

Cooling gas inlet

Cooling gas

outlet

Fuel inlet

JHC

(Sandia)

BURNER #1BURNER #2

BURNER #3

BURNER #4

Perchè:• Criteri per la progettazione ed ottimizzazione di componenti

industriali per migliorare l’efficienza energetica e ridurre la

generazione di inquinanti (ossidi di azoto)

• Utilizzo di combustibili puliti (idrogeno) e da fonti rinnovabili

(biogas, syngas)

• Come:

– Attività di sperimentazione (impianti

sperimentali di combustione con utilizzo di

idrogeno)

– Simulazione CFD (Fluidodinamica

Computazionale) con modelli cinetici delle

reazioni chimiche


sistemi innovativi di combustione pulita


Cattura e sequestro della CO2 (CCS)

• Cosa: Generazione di energia da combustibili fossili senza

emissioni di CO2

• Cosa: Generazione di

energia senza

emissioni di CO2:

combustione di

carbone con riciclo dei

fumi per la cattura della

CO2


cattura della CO2: ossi-combustione

Perchè:• Diminuzione delle emissioni di CO2 (Green House Gases,

prevenzione effetto serra)

• Produzione di energia da carbone ad emissioni zero (clean

coal)

• Come:


(impianti sperimentali su scale

pilota e semi industriale)

– Simulazione CFD di bruciatori e

caldaie (Fluidodinamica

Computazionale) con modelli

cinetici delle reazioni chimiche


cattura della CO2: ossi-combustione

Semi-industrial (3 MW) furnace

Pilot scale entrained flow reactor

• Cosa:

Sviluppo di sorbenti solidi di nuova generazione


cattura della CO2: post-combustione

• Perchè:Per la cattura post-combustione della CO2 da impianti di potenza

• Come:Attività di preparazione,caratterizzazione e validazione ad alta temperatura su scala di

laboratorio dei sorbenti solidi sviluppati

Li4SiO4 (s) + CO2 (g) ↔ Li2CO3 (s/l) + Li2SiO3 (s)


biocombustibili e bioenergie: gassificazione

• Cosa: la gassificazione è un processo termo-chimico che consente di

trasformare la BIOMASSA in un gas combustibile detto SYNGAS;

l’apparecchiatura dove ha luogo questa reazione è detta

GASSIFICATORE.

Perchè: dal SYNGAS è possibile ottenere una molteplicità di prodotti:

• elettricità e calore per il riscaldamento di abitazioni attraverso un motore

a combustione interna;

• idrogeno attraverso processi di purificazione e separazione;

• combustibili liquidi attraverso sintesi di Fischer e Tropsch.


biocombustibili e bioenergie: gassificazione

• Come:

– Attività di sperimentazione su impianti pilota

– Modellazione con simulatori di processo


biocombustibili e bioenergie

La bioraffineria del Centro Ricerca Interuniversitario sulle BioEnergie

Biodiesel

Combustione

Gassificazione

Fermentazione

L'obiettivo del centro di ricerca è quello di accoppiare gli aspetti agronomici,

ingegneristici e di processo per fornire un approccio globale all'analisi della produzione

di energia da biomasse

• Cosa:

Processi e tecnologie innovative nell’industria conciaria

scala di laboratorio


Sviluppo di processi innovativi

scala pilota

scala industriale

• Perchè:Per ridurre l’impatto ambientale del processo conciario

• Come:Attività sperimentali su scala pilota e industriale di processi innovativi a basso

impatto ambientale nell’ambito del processo conciario (depilazione ossidativa

processo inverso, concia con sali di titanio)

• Cosa:

Sviluppo di materiali compositi biodegradabili da

materiali rigenerabili


Sviluppo di materiali innovativi

• Perchè:Per ridurre l’uso delle materie plastiche non biodegradabili:

migliorare l’impatto ambientale di prodotti quali imballaggi,

shoppers, contenitori per uso industriale/agricolo

• Come:Attività di preparazione, caratterizzazione, prototipazione rapida e

validazione di manufatti realizzati con i materiali compositi

biodegradabili sviluppati

PROGETTO

ECOPOT

• Cosa:

– Apparecchiature ed impianti semi-

industriali per la lavorazione di materiali

polimerici (estrusori) ed ottenimento

granuli

• Perchè:

– Messa a punto di formulazione e

processo di estrusione di materiali

polimerici eco-innovativi (miscele e

compositi)

– Preparazione di campionature di tali

materiali per successive prove

industriali


sviluppo di processi di produzione di materiali

• Come:

– Determinazione delle proprietà termiche e meccaniche dei

materiali


sviluppo di processi di produzione di materiali

Un esempio di Ricerca

nel campo della Metallurgia

• Acciai Innovativi per Auto:

Obiettivo: - Ridurre le emissioni inquinanti e di gas serra delle auto

- Aumentare la sicurezza dei passeggeri

Modalità: Sviluppo di nuovi acciai più resistenti e con proprietà migliorate

Ottenimento di automobili più leggere, più resistenti e più sicure

Zona di assorbimento

urto:

Acciai capaci di

deformarsi

notevolmenteOgni acciaio è ottimizzato in funzione di

un’applicazione specifica

Zona indeformabile:

Acciai ad elevatissima

resistenza

Come: Ottimizzazione della COMPOSIZIONE CHIMICA e della MICROSTRUTTURA

MICROSTRUTTURA: tipologie, disposizione spaziale e dimensioni dei costituenti

microscopici del materiale

Dalla combinazione delle proprietà dei singoli costituenti si possono

progettare/prevedere le proprietà macroscopiche del componente finito

nanometro micrometro centimetro metro

Un esempio di Ricerca

nel campo della Metallurgia

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