Industrial processes and scale-up
A.A. 2025/2026
Obiettivi formativi
The aim of the course is to provide students with the theoretical notions for the correct scale up of unit operations in the chemical industry. The course will analyze characteristics, usefulness and limits of laboratory scale equipment, bench scale, pilot plant and industrial plant. The mock up plants for the study of the transport phenomena involved will be discussed. The methodologies for defining the correct models for the scale up starting from the experimental data collected in the laboratory scale will be presented. The lectures will start from the basic theoretical concepts of chemical plants.
Risultati apprendimento attesi
At the end of the course, the student is expected to be able to: 1) define the development status of a technology and its TRL; 2) apply the basic concepts of process design for the development of a new technology; 3) identify the possible critical aspects of a unit operation on industrial scale and identify possible solutions; 4) design laboratory-scale experiments to obtain the data at the basis of the scale up process; 5) select and define the kinetic and thermodynamic models necessary for scaling up; 6) use process simulation software for process design, scale up and plant optimization.
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.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Primo semestre
Programma
Il corso sarà dedicato a un'introduzione specifica alla metodologia di scaling-up dei processi chimici, da un punto di vista chimico e ingegneristico. Saranno prese in considerazione sia le reazioni chimiche che i processi di separazione. Più in dettaglio, verranno spiegati e discussi i seguenti argomenti:
1) Teoria dello scale-up
- Introduzione alla simulazione software
- Scale-up e numerazione
- Regola 0.6 e TRL di una tecnologia
- Metodologia di scale-up
- Considerazioni di base sul progetto di un impianto chimico
- Approccio gerarchico del diagramma di flusso di processo (PFD)
- Le regole empiriche per la chimica industriale
- Modelli matematici, fisici e chimici
- Attrezzature e funzionamento negli impianti pilota
- Modelli di impianto pilota e cold flow (mock-up): caso di studio industriale di steam cracking
- Tecniche sperimentali nello scale-up
- Carbon Capture, Utilization and Storage: principi di base e analisi dello scale-up e del TRL di questi nuovi processi
- Analisi Hazop per la valutazione dei rischi connessi allo scale-up
2) Sviluppo della teoria dello scale-up per colonne e reattori di separazione
2.1 Colonna di distillazione acqua-acido acetico:
- Discussione e interpretazione degli equilibri di fase
- Valutazione e ottimizzazione del costo della colonna
2.2 Reattore di esterificazione acido acetico-metanolo
- Reattori all'equilibrio (equilibrio, conversione, reattore di Gibbs)
- Modelli cinetici per la reazione e regressione dei parametri
- Simulazione di Batch e PFR per questo sistema
3) Scienza della simulazione
- Utilizzo di un software commerciale per la simulazione statica PRO II
- Introduzione di un software commerciale per la simulazione dinamica: DYNSIM
- Esercizi su LVE, colonne di distillazione e reattori chimici (per i punti 2.1 e 2.2)
- Esercizi sull'unità di distillazione virtuale del greggio
1) Teoria dello scale-up
- Introduzione alla simulazione software
- Scale-up e numerazione
- Regola 0.6 e TRL di una tecnologia
- Metodologia di scale-up
- Considerazioni di base sul progetto di un impianto chimico
- Approccio gerarchico del diagramma di flusso di processo (PFD)
- Le regole empiriche per la chimica industriale
- Modelli matematici, fisici e chimici
- Attrezzature e funzionamento negli impianti pilota
- Modelli di impianto pilota e cold flow (mock-up): caso di studio industriale di steam cracking
- Tecniche sperimentali nello scale-up
- Carbon Capture, Utilization and Storage: principi di base e analisi dello scale-up e del TRL di questi nuovi processi
- Analisi Hazop per la valutazione dei rischi connessi allo scale-up
2) Sviluppo della teoria dello scale-up per colonne e reattori di separazione
2.1 Colonna di distillazione acqua-acido acetico:
- Discussione e interpretazione degli equilibri di fase
- Valutazione e ottimizzazione del costo della colonna
2.2 Reattore di esterificazione acido acetico-metanolo
- Reattori all'equilibrio (equilibrio, conversione, reattore di Gibbs)
- Modelli cinetici per la reazione e regressione dei parametri
- Simulazione di Batch e PFR per questo sistema
3) Scienza della simulazione
- Utilizzo di un software commerciale per la simulazione statica PRO II
- Introduzione di un software commerciale per la simulazione dinamica: DYNSIM
- Esercizi su LVE, colonne di distillazione e reattori chimici (per i punti 2.1 e 2.2)
- Esercizi sull'unità di distillazione virtuale del greggio
Prerequisiti
I prerequisiti indispensabili sono una buona conoscenza della chimica fisica, in particolare della cinetica chimica, delle leggi dell'equilibrio termodinamico e della teoria di base delle colonne di distillazione e degli equilibri liquido-vapore. Si raccomanda inoltre di avere nozioni di base sui fenomeni di trasporto (flusso turbolento, flusso laminare, scambiatori di calore) e sui reattori chimici. Questi prerequisiti sono insegnati nei corsi di laurea triennale in chimica industriale, principalmente Chimica Fisica I, Chimica Fisica II, Impianti Chimici con Laboratorio, Chimica Fisica Industriale, Chimica Industriale, Complementi di matematica e calcolo numerico.
Metodi didattici
Il corso si baserà su 48 ore di lezioni frontali in aula, in cui: 1) verrà spiegata la teoria dello scale up (60%); 2) verranno introdotti e utilizzati software di simulazione di impianti chimici (20%); 3) verranno considerati casi studio ed esempi industriali (20%). Inoltre, durante il corso, verrà probabilmente proposta e organizzata una visita a un impianto industriale.
Materiale di riferimento
- A. C. Dimian, C. S. Bildea, A. A. Kiss: Integrated Design and Simulation of Chemical Processes", 2nd Edition, Elsevier disponibile nella biblioteca di Chimica)
- V. Ragaini, C. Pirola, "Processi di Separazione nell'Industria Chimica", Hoepli
- The properties of Gases and Liquids Autori: B. Poling; J. 'O Connell; J. Prausnitz. McGraw-Hill 2004
- Scale-up Methodology for Chemical Process. Autori: J. B. Euzen, P. Trambouze, J. P. Wauquier, Edition Technip.
- Presentations of classroom lessons and other teaching material (scientific articles) always available on the MY ARIEL-UNIMI platform
- V. Ragaini, C. Pirola, "Processi di Separazione nell'Industria Chimica", Hoepli
- The properties of Gases and Liquids Autori: B. Poling; J. 'O Connell; J. Prausnitz. McGraw-Hill 2004
- Scale-up Methodology for Chemical Process. Autori: J. B. Euzen, P. Trambouze, J. P. Wauquier, Edition Technip.
- Presentations of classroom lessons and other teaching material (scientific articles) always available on the MY ARIEL-UNIMI platform
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
Tutti gli argomenti trattati nel corso saranno discussi in un esame orale o scritto. Saranno richieste domande teoriche e/o esercitazioni pratiche utilizzando il software di simulazione. Gli studenti dovranno essere in grado di discutere tutti gli argomenti del corso, di spiegare gli esempi industriali trattati a lezione e di svolgere esercizi utilizzando il software di simulazione riguardanti l'ottimizzazione di colonne o reattori.
Docente/i
Ricevimento:
Tutti i giorni lavorativi, previo appuntamento. Il ricevimento avverra' via Microsoft Teams.
Studio R 30 S Dipartimento di Chimica (tramite Microsoft Teams)