Sistemi di conversione termochimici ed elettrochimici
ING-IND/09
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Reattori, batterie e celle a combustibile sono sempre più importanti in qualsiasi applicazione industriale e civile per cui il corso analizza le principali conversioni e impianti/sistemi termochimici ed elettrochimici.La finalità è quella di fornire allo studente le conoscenze di base che gli consentiranno di comprendere i principali reattori termochimici e sistemi elettrochimici oggi esistenti ed elementi di dimensionamento e progettazione di tali sistemi (in particolare impianti di gassificazione e digestione da biomassa ed impianti con accumulatori/elettrolizzatori/celle a combustibile) e relative tecniche di acquisizione, controllo e analisi dati. Parte centrale del corso è illustrare le principali metodologie di analisi (termodinamica e cinetica) e di progetto di tali sistemi nonché i relativi principi di funzionamento.
Matematica: algebra elementare; funzioni trigonometriche; algebra dei numeri complessi; grafico delle funzioni di una variabile; limiti e derivate delle funzioni di una variabile; calcolo vettoriale elementare; sistemi di equazioni lineari algebriche; equazioni differenziali lineari a coefficienti costanti.Fisica: concetti e leggi fondamentali della meccanica, della termodinamica e dell’elettromagnetismo; grandezze fisiche principali ed unità di misura (comprese entalpia ed entropia); bilanci energetici; resistività elettrica dei materiali.Chimica: concetti e leggi fondamentali della chimica; bilanci stechiometrici; diffusività; catalisi; adsorbimento e absorbimento.
Elementi di TermochimicaConcetti base. Processi termochimici per upgrade di combustibili e per generazione di calore. L’equilibrio termodinamico e le velocità di reazione. Processo, P&ID, Dimensionamento, Layout. Modelli sperimentali e teorici. Modelli all’equilibrio e cinetici. La fenomenologia delle reazioni. La risoluzione degli equilibri chimici. Le reazioni di Boudouard, di formazione del gas d'acqua, di formazione del metano, ecc. L’analisi all’equilibrio e la variazione dell’equilibrio al variare di temperatura, pressione, reagenti, prodotti e catalizzatori. Forme, tipologie, componenti e classificazione dei reattori: discontinui e continui in regime stazionario e variabile; in serie e ricircolanti; atmosferici e pressurizzati; a letto fisso: equicorrente, controcorrente a flusso traverso; a letto fluido: bollente, ricircolante, trascinato; isotermici, adiabatici, a riscaldamento diretto e indiretto. Principali parametri controllanti i processi termo/bio chimici: quantità, composizione chimica e forma fisica del riducente e dell’ossidante; umidità, capacità di campo e permeabilità; temperatura e acidità; tempo di residenza e di ritenzione. Pirolisi. Gassificazione. Combustione. Sostanze nocive, emissioni e condizionamento. Termodinamica e cinetica. Velocità di reazione, costante di Arrhenius e legge cinetica. Ordine di reazione e molarità. Energia di attivazione e stato di transizione. Profilo energetico di reazione. Espressioni della costante cinetica. Meccanismo di reazione. Principi e regimi di fluidizzazione.
Sistemi TermochimiciBiomassa e combustibili. Risorse, processi di conversione primaria e secondaria e usi finali. Scelta del processo. Scelta del combustibile. Lo schema impiantistico di un impianto di gassificazione. Reforming e gassificazione in aria, ossigeno e vapore. Parametri adimensionali. Definizione di digestione anaerobica. Fasi e parametri della digestione anaerobica. Tipologia di impianti di digestione anaerobica. Dimensionamento di un impianto di digestione anaerobica. Cenno ai costi di investimento e di esercizio nei sistemi termochimici. Ricavi e Flussi di cassa. Prospetto economico di un impianto di digestione anaerobica e di un gassificatore accoppianti a un motore a combustione interna per la generazione di elettricità e calore.
Elementi di ElettrochimicaConcetti base. Differenti specie di conduttori elettrici. Conducibilità degli elettroliti. Elettrocatalisi. Definizioni, generatori ed elettrolizzatori, reazioni elettrodiche. Potenziale chimico, elettrico ed elettrochimico. Condizioni di equilibrio in un sistema elettrochimico. Significato fisico di potenziale elettrodico. Corrente di scambio. Forza elettromotrice. Convenzioni elettrochimiche e potenziali standard. Equazione di Nernst. Misure di potenziale e polarizzazione. Elettrodi di riferimento. Spostamento dalle condizioni di equilibrio. Cinetica elettrochimica. Sovratensione di attivazione (trasferimento di carica) Equazione di Butler e Volmer. Legge di Tafel e di Stern e Geary. Diagrammi Potenziale-Corrente di Evans. Sovratensione di concentrazione (trasporto di materia). Corrente limite. Corrosione galvanica e per aerazione differenziale.
Sistemi elettrochimiciClassificazione e descrizione delle batterie primarie e secondarie. Componenti di celle e batterie. I materiali attivi, collettori di corrente, elettroliti, separatori e contenitori. Tensione, capacità ed energia. Fattori che influenzano le prestazioni. Corrente di scarica e capacità nominale. Criteri di selezione e applicazioni di Batterie. Batterie Primarie. Tipi, caratteristiche e prestazioni. La “Chimica” dei principali tipi di Batterie Primarie. Confronto tra le prestazioni delle batterie primarie. Batterie Secondarie: Tipi, caratteristiche e prestazioni La “Chimica” dei principali tipi di Batterie Secondarie. Confronto tra le prestazioni delle batterie secondarie. Tipologie di ricarica. Celle a Combustibile. Classificazione e principi di funzionamento. Celle ad elettrolita polimerico (PEFC). Celle alcaline (AFC). Celle ad acido fosforico (PAFC) A carbonati fusi (MCFC) e a ossidi solidi (SOFC) Fattori che ne influenzano il rendimento: sovratensione di trasferimento di carica e di diffusione. Elettrolizzatori. Applicazioni.
Oltre alle lezioni realizzate dal Docente ed ai materiali didattici pubblicati in piattaforma, è obbligatorio lo studio dei seguenti testi:Termochimici
Previo appuntamento via email (e.bocci@unimarconi.it). L'orario di ricevimento in sede a Roma, in via Paolo Emilio 29 è il mercoledì dalle 9:30 alle 10:30, ma si possono concordare differenti date e orari. Difatti, tutti i giorni dal lunedì al venerdì dalle 9 alle 18 gli studenti possono venire al laboratorio di Via Paolo Emilio 29 (attrezzature e biblioteca al piano seminterrato, tel. 0637725341, e uffici al secondo piano, stanza in fondo, tel. 0637725268) per osservare e sperimentare componenti di elettrotecnica (da semplici componenti di circuiti a macchine e impianti. In laboratorio sono presenti resistenze, condensatori, induttanze, alimentatori e banchi resistivi e banchi di accumulatori e di super condensatori, schede millefori, connettori, motori, generatori, trasformatori, strumenti di misura, etc.).