L’Ingegneria Chimica a Bologna e … non solo L’ingegneria chimica, fin dalla sua nascita a cavallo del XIX e XX secolo, si è caratterizzata come un settore dell’ingegneria focalizzato sui processi industriali di trasformazione, quelli dell’industria chimica in primis, superando la visione parcellizzata allora tipica delle tecnologie con una visione sistemistica che di queste coglieva e sviluppava gli elementi comuni. La presentazione segue il percorso dell’evoluzione di questo approccio attraverso le fasi delle “Operazioni Unitarie” e dei “Fenomeni di trasporto” che le hanno consentito di raggiungere quel livello di flessibilità e di efficacia che le consentono oggi di svolgere un ruolo di primo piano in tanti settori innovativi. In questa visione del tutto generale viene inquadrato lo sviluppo dell’ingegneria chimica in Italia e in particolare a Bologna Francesco Santarelli Già ordinario di Princìpi di Ingegneria Chimica L'Ingegneria chimica a Bologna e...non solo
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L’Ingegneria Chimica a Bologna e … non solo
L’ingegneria chimica, fin dalla sua nascita a cavallo del XIX e XX secolo, si è caratterizzata come un settore
dell’ingegneria focalizzato sui processi industriali di trasformazione, quelli dell’industria chimica in primis,
superando la visione parcellizzata allora tipica delle tecnologie con una visione sistemistica che di queste
coglieva e sviluppava gli elementi comuni.
La presentazione segue il percorso dell’evoluzione di questo approccio attraverso le fasi delle “Operazioni
Unitarie” e dei “Fenomeni di trasporto” che le hanno consentito di raggiungere quel livello di flessibilità e di
efficacia che le consentono oggi di svolgere un ruolo di primo piano in tanti settori innovativi.
In questa visione del tutto generale viene inquadrato lo sviluppo dell’ingegneria chimica in Italia e in particolare
a Bologna
Francesco Santarelli
Già ordinario di Princìpi di Ingegneria Chimica
L'Ingegneria chimica a Bologna e...non solo
INGEGNERIA CHIMICA
CHIMICA INDUSTRIALE
Una vecchia definizione ancora sostanzialmente corretta per definire le due aree disciplinari:
..distinction [must] be made between the education of a chemical engineer and that of an
industrial chemist. The chemical engineer would study both chemical processes and unit
operations, while the industrial chemist traditionally learned specific procedures for producing
bulk quantities of feedstock chemicals(M.K. Whitaker, early 1900)
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sostantivi
aggettivi
L’ingegneria chimica è quel settore dell’ingegneria che tratta i processi che a scala industriale
modificano le caratteristiche fisiche e /o chimiche della materia;
La chimica industriale studia i processi chimici (reattività) ai fini della sintesi, trasformazione
e industrializzazione
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L’ingegneria chimica è riconosciuta come settore dell’ingegneria a livello internazionale:
negli USA A.I.Ch.E (American Institution of Chemical Engineers) è con ASCE, ASME, IEEE una delle quattro
principali società professionali dell’ingegneria
• in UK IChemE (Institution of Chemical Engineers) ha come oggetti e scopi della sua attività: To promote, foster
and develop the general advancement of the science of chemical engineering in all its branches as an end in
itself and as a means of furthering the scientific and economic development and application of processes in which
chemical and physical changes of materials are involved and to promote, assist, finance and support such
research, investigation and experimental work in chemical engineering as the Institution may consider likely to
conduce to those ends and to the benefits of the community at large.
• EFCE (European Federation of chemical Engineering) is a non-profit association, the object of which is to
promote co-operation in Europe between non-profit-making professional scientific and technical societies for the
general advancement of chemical engineering and as a means of furthering the development of chemical
engineering.
L’ingegnere chimico analizza, progetta, realizza gestisce processi nei quali si
realizza una modifica dello stato fisico e/o chimico della materia
La caratterizzazione dell’ingegneria chimica risiede nell’oggetto delle sue applicazioni nelle
quali reazioni chimiche e/o processi di scambio tra fasi si presentano secondo modalità
fenomenologicamente diverse e che vengono però affrontate riconducendo la specificità della
situazione a una visione del tutto generale
• Molti i possibili riferimenti ad applicazioni riconducibili all’ingegneria chimica in testi
di epoche anteriori (Bibbia: fermentazione, Biringuccio, Agricola)
• Sviluppo industria chimica nella seconda metà del XIX secolo con sensibile
aumento produzioni a seguito incremento domanda da altri settori produttivi
(Acido solforico, Carbonato di soda a sostegno specifiche produzioni quali vetrerie, industria
tessile, detergenza,…)
• Necessità di competenze specifiche superando empirismo e approcci qualitativi:
rilevante il passaggio di scala e la utilizzazione di processi continui superando le
produzioni discontinue
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• Nascita e sviluppo dell’ingegneria chimica strettamente connessi all’evoluzione
della industria chimica, a sua volta strettamente collegata alla evoluzione del
settore produttivo. I prodotti dell’industria chimica sono indispensabili per
un’ampia serie di produzioni
Risposte diverse in vari paesi
Germania: chimica + ingegneria meccanica con focus sulle singole tecnologie
Mondo anglosassone (in particolare Stati Uniti):emerge una nuova figura
l’”ingegnere chimico” che con una visione sistemistica che di queste coglie e
sviluppa gli elementi comuni
George E. Davis
Figura poliedrica di tecnico e imprenditore maturò l’idea
di ingegneria Chimica negli anni ’80 del XIX secolo
“Chemical Engineer is a person possessing knowledge of chemistry,
physics and mechanics and who employed that knowledge for the
utilization of chemical reaction on the large scale”
Supera la visione tradizionale legata alle tecnologie per i singoli settori produttivi con particolare
attenzione al ruolo dell’ingegneria e al passaggio di scala.
Problemi ingegneristici organizzati intorno a “basic operations” comuni a molti di essi: “moto dei
fluidi, scambio di calore, estrazione, assorbimento, distillazione,..
1887 – Lezioni a Manchester Technical School (UMIST) pubblicate separatamente in
Chemical Trade Jl
1901 – prima edizione di Handbook of Chemical Engineering,
nel 1904 seconda edizione in due volumi
Significativa l’attenzione alla riduzione di emissioni inquinanti di HCl derivantagli dalla sua attività
di ispettore per l’attuazione dell’ “AlKali Act”
“The aim of all chemical procedures should be the utilisation of everything and the
avoidance of waste. It is often cheaper to prevent waste than to attempt to utilise a
waste product.”
Scarsa diffusione della sua visione in Europa ma diffusione negli Usa.
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In USA erano già presenti in diverse università programmi definiti come “ingegneria
chimica” anche se con contenuti variabili e legati alla visione essenzialmente chimica.
-1888-90 attivazione a MIT del Course X «Chemical Engineering» (L.M. Norton)
-1908 fondazione A.I.Ch.E.
Essenziale il contributo del MIT alla nascita dell’ingegneria chimica
Diverse figure fondamentali
William Walker (1869–1934), Warren Lewis (1882–1975), e Arthur D. Little
furono le figure di punta che definirono l’ingegneria chimica come una
specifica professione con un proprio metodo di approccio ai problemi e alla
formazione
Attorno a William H.Walker operarono più giovani colleghi Warren K.Lewis e
Mc Adams: tutti con un periodo di formazione in Germania promossero un
approfondimento con attività sperimentale di tesi sui principi dei processi fisici
dell’ingegneria chimica e pubblicarono nel 1923 il testo Principles of
Chemical Engineering i cui contenuti entrano ancora nella preparazione di
base degli ingegneri chimici
Arthur D. Little consulente industriale, imprenditore,
amministratore a MIT nel 1915 usa per la prima volta il
termine “unit operations”
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Successo dell’impostazione nell’industria chimica e successivamente
• nel settore petrolifero a seguito della eoluzione dei sistemi di raffinazione (anche in questo caso in
sintonia con il passaggio a sistemi continui e progressi nelle operazioni di cracking: cracking
termico continuo dopo WW1 e Fluid Cracking Catalitico negli anni ’30)
• Nell’emergere della petrolchimica
• Ruolo guida in rilevanti progetti strategici USA durante la seconda guerra mondiale ( progetto
Manhattan, produzione SBR)
• Consolidamento della reaction engineering in contiguità con
chimici industriali ma con specificità connesse alla scala (effetti
fluodinamici, di trasporto di energia , di massa)
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• Aspetti processo: architettura di processo, ottimizzazione del
processo
• Automazione degli impianti: il controllo di processo
• Immediata attenzione alla utilizzazione di strumenti informatici
per la gestione di informazioni chimico-fisiche e adeguamento
degli strumenti di calcolo utilizzati
Importanza della disponibilità di dati specifici per le singole sostanze per poter effettuare la
trattazione quantitativa sulle base di impostazioni di carattere generale
L’approccio basato su una visione locale (microscopica a livello di mezzo
continuo) emerso negli anni ‘50 trova la sua «Bibbia» nel testo Transport
Phenomena proposto nel 1960 da Bird, Stewart, Lightfoot della Università del
Wisconsin
Si basa sul fatto che in tutti casi si ha trasporto di materia e/o di
energia e (in sistemi in fase fluida) di quantità di moto per i quali
possono essere in evidenza meccanismi simili ( trasporto molecolare, trasporto convettivo, trasporto turbolento)
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• Leggi generali richiedono per la loro applicazione informazioni
sul comportamento di classi di materiali(equazioni costitutive).
• Il conseguente sviluppo delle «Scienze dell’ingegneria chimica»
ne consente la utilizzazione in nuovi ambiti applicativi anche
lontani dall’ originario riferimento alle applicazioni chimiche.
• Si determina una differenziazione, anche se con ampi livelli di
mutua interazione, tra l’attività legata alla professione e l’attività
di ricerca
Bird Stewart Lightfoot
Alla luce dell’evoluzione delle sue aree di intervento è condivisibile una recente definizione
dell’ingegneria chimica:
Chemical Engineering is the field of applied science that employs physical,
chemical and biochemical rate processes for the betterment of humanity(M.M. Denn, Chemical Engineering-an introduction, Cambridge 2012)
Mentre la finalizzazione è o dovrebbe essere comune a tutte le ingegnerie sono i processi
cinetici a costituire l’aspetto caratterizzante dell’ingegneria chimica.
La modellazione matematica dei fenomeni è lo strumento con il quale si trasformano in
forma quantitativa i processi fisici, chimici e biochimici considerati
Nella prima metà del 20° secolo l’ingegneria chimica era prevalentemente finalizzata a
produzioni su grande scala di prodotti chimici.
La capacità di trattare situazioni nelle quali intervengono processi cinetici ha consentito agli
ingegneri chimici di operare in un’ampia varietà di contesti, mantenendo la caratteristica di una
visione di carattere generale dei problemi:
• Settori «tradizionali»: Processi di separazione, Intensificazione dei processi, Sicurezza e
Tutela Ambientale, Ottimizzazione energetica, Dinamica e controllo di apparati e Processi,
Ingegneria dei polimeri, Industria agroalimentare, ……