LABORATORIO DI SIMULAZIONE DEGLI IMPIANTI DI PROCESSO

LABORATORIO DI SIMULAZIONE DEGLI IMPIANTI DI PROCESSO

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iten
Codice
90666
ANNO ACCADEMICO
2020/2021
CFU
6 cfu al 3° anno di 10375 INGEGNERIA CHIMICA E DI PROCESSO (L-9) GENOVA
SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE
ING-IND/25
LINGUA
Italiano
SEDE
GENOVA (INGEGNERIA CHIMICA E DI PROCESSO )
periodo
2° Semestre
moduli
Questo insegnamento è un modulo di:
materiale didattico

PRESENTAZIONE

Il corso ha come oggetto le varie tipologie di modelli formulabili per le apparecchiature e gli impianti dell’Ingegneria Chimica, e comprende una panoramica sulle varie tipologie di software utilizzabili per l’integrazione numerica delle equazioni dei modelli stessi. Gli studenti sono poi incentivati a tradurre in pratica gli insegnamenti acquisiti mediante una serie di esempi (‘case studies’) aventi come oggetto alcuni problemi tipici dell’Ingegneria Chimica.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Il modulo si propone di illustrare le metodologie di risoluzione al calcolatore dei problemi tipici dell'Ingegneria Chimica mediante l'utilizzo degli applicativi Matlab, Excel, COMSOL, UniSim, oppure utilizzando il linguaggio di programmazione C.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Al termine del modulo lo studente avrà acquisito ‘Conoscenza e capacità di comprensione applicate' (Applying knowledge and understanding) circa il ‘Chemical engineering computing’. In particolare, lo studente avrà acquisito competenze in termini di sviluppo di un codice di simulazione, sviluppo condotto attraverso i seguenti step:

1) valutare la tipologia di modello più adatto per lo studio di un determinato problema dell’Ingegneria Chimica, anche in funzione degli strumenti software disponibili: modelli 0-D, 1-D, 2-D, 3-D ed eventualmente tempovarianti;

2) sviluppare un modello: scelta delle equazioni;

3) risolvere le equazioni al calcolatore;

4) verificare i risultati ottenuti.

​Nel contempo, gli studenti acquisiranno competenze trasversali quali abilità comunicativa e capacità di lavorare in team, attraverso il lavoro di gruppo dei ‘Case Studies’.

Modalità didattiche

Il modulo è articolato in lezioni teoriche (25 ore) e lezioni in laboratorio informatico (35 ore).

​Durante le lezioni in laboratorio informatico viene dedicato ampio spazio alla risoluzione dei ‘Case Studies’ al calcolatore. ​I ‘Case Studies’ in laboratorio informatico sono svolti in gruppo e consentono di migliorare competenze trasversali quali abilità comunicativa e capacità di lavorare in team. I ‘Case Studies’ costituiscono la base per la preparazione alla prova pratica finale. 

PROGRAMMA/CONTENUTO

Il modulo si sviluppa in una serie di lezioni teoriche inerenti le varie tipologie di modelli formulabili per le apparecchiature e gli impianti dell’Ingegneria Chimica. In particolare vengono trattati i seguenti argomenti:

  • panoramica sulle varie tipologie di modelli formulabili per le apparecchiature e gli impianti dell’Ingegneria Chimica. Modelli a parametri concentrati e a parametri distribuiti;
  • equazioni tipicamente impiegate: algebriche e/o differenziali. Sistemi di equazioni DAE (sistemi misti di equazioni algebriche e differenziali ordinarie) e PDAE (sistemi misti di equazioni algebriche e differenziali alle differenze finite);
  • cenno ai metodi numerici impiegati per la risoluzione delle equazioni;
  • panoramica sulle varie tipologie di software impiegati per la risoluzione dei problemi tipici dell’ingegneria chimica. Software per il calcolo numerico ‘general purpose’. Simulatori di processo.

Nella parte centrale del modulo, l’attenzione è focalizzata sulla simulazione degli impianti di processo, di cui vengono analizzati gli aspetti teorici e gli approcci matematici. Particolare attenzione è dedicata agli impianti con ricircolo e ai relativi metodi di calcolo numerico:

  • metodo simultaneo: risoluzione analitica delle equazioni;
  • metodo sequenziale-modulare puro. Problemi di convergenza;
  • metodo sequenziale-modulare corretto secondo Wegstein.

I concetti teorici vengono tradotti in pratica mediante una serie di esempi (‘Case Studies’) aventi come oggetto alcuni problemi tipici dell’Ingegneria Chimica. Ciascun ‘Case Study’ è articolato in un breve richiamo teorico, volto alla scelta delle equazioni già note agli studenti e adatte a descrivere il fenomeno chimico-fisico, seguito poi da alcune lezioni in cui le equazioni vengono risolte numericamente al calcolatore. Il programma di calcolo viene sviluppato in laboratorio informatico INFAL1 sotto la guida del docente che, lavorando personalmente al calcolatore (grazie all’ausilio del proiettore collegato), illustra le tecniche da adottare, ed invita poi gli studenti a riprodurre e completare. In tale fase, gli studenti lavorano in gruppi, utilizzando i PC a disposizione in aula INFAL1. Il docente coordina e supervisiona il lavoro, e offre supporto pratico. In alcuni casi il programma di calcolo viene sviluppato in linguaggio C. In altri casi, le equazioni vengono risolte numericamente mediante uno dei seguenti software: Excel, Matlab, COMSOL, UniSim. Tutti i software sono installati sui PC a disposizione degli studenti presso il laboratorio informatico INFAL1. È prevista una discussione critica circa la scelta del software. In molti ‘Case Study’ lo stesso problema viene risolto mediante software diversi, al fine di apprezzarne le differenze. È prevista una fase finale di discussione critica dei risultati ottenuti e di verifica del programma di calcolo realizzato.

Viene qui riportato un elenco dettagliato dei ‘Case Studies’ (testo, equazioni e risoluzione di tutti i Case Studies sono disponibili in aul@web).

Case Study 1: Calcolo del volume specifico di un gas non ideale mediante l’equazione di stato di Redlich-Kwong (RK). Dal punto di vista matematico il problema di riconduce al calcolo degli zeri di una funzione. Risoluzione del problema mediante MS Excel, Matlab, UniSim e mediante sviluppo di un codice di calcolo in linguaggio di programmazione C. 

Case Study 2: Distillazione: calcolo del flash isotermo di una miscela ideale multicomponente mediante l’equazione di Rachford-Rice (RR). Dal punto di vista matematico il problema di riconduce al calcolo degli zeri di una funzione. Risoluzione del problema mediante MS Excel, Matlab, UniSim e mediante sviluppo di un codice di calcolo in linguaggio di programmazione C.

Case Study 3: Simulazione di un impianto per la produzione dell’ammoniaca. Sviluppo dei bilanci di massa macroscopici per ciascun componente dell’impianto. Calcolo semplificato mediante Excel. Calcolo dettagliato (bilanci macroscopici di massa e di energia) basato su un approccio sequenziale-modulare (metodo di Wegstein) mediante UniSim.

Case Study 4: Simulazione di un impianto per la produzione di glicole propilenico, costituito da un reattore chimico CSTR accoppiato con una colonna di distillazione a piatti. Risoluzione mediante UniSim (colonna di distillazione simulata mediante metodo rigoroso). Analisi dei profili di temperatura e composizione nella colonna di distillazione.

Case Study 5: Simulazione di un reattore tubolare ideale stazionario isotermo. Sviluppo del modello e in particolare dell’equazione di bilancio di massa (bilancio microscopico). Dal punto di vista matematico, il problema si riconduce alla risoluzione di una equazione differenziale ordinaria (ODE). Risoluzione del problema mediante MS Excel, Matlab, Comsol, e mediante sviluppo di un codice di calcolo in linguaggio di programmazione C.

Case Study 6: Cenno alla simulazione di un reattore tubolare non ideale, con moto laminare e diffusione assiale. Sviluppo del modello e in particolare delle equazioni di bilancio locale di massa e di energia. Dal punto di vista matematico, il problema si riconduce alla risoluzione di un sistema PDAE (sistema misto di equazioni algebriche non lineari NLAE e equazioni differenziali alle derivate parziali PDE). Risoluzione del problema mediante Comsol.

 

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Tutte le slide proiettate durante le lezioni e tutto il materiale didattico riguardante i ‘Case Studies’ (inclusi testi e soluzioni) sono disponibili su aul@web. I libri indicati sotto sono suggeriti come testi di appoggio:

  • B.A. Finlayson, Introduction to Chemical Engineering Computing, John Wiley and Sons, Inc., Ney Jersey, USA (2006).
  • R. Sinnott & G. Towler, Chemical Engineering Design, Fifth edition, Elsevier Science (2009).
  • H.S. Fogler, Elements of Chemical Reaction Engineering, Fourth Edition, Pearson Education, NJ, USA (2006).

DOCENTI E COMMISSIONI

Ricevimento: Gentilmente contattare il docente via e-mail: paola.costamagna@unige.it

LEZIONI

Modalità didattiche

Il modulo è articolato in lezioni teoriche (25 ore) e lezioni in laboratorio informatico (35 ore).

​Durante le lezioni in laboratorio informatico viene dedicato ampio spazio alla risoluzione dei ‘Case Studies’ al calcolatore. ​I ‘Case Studies’ in laboratorio informatico sono svolti in gruppo e consentono di migliorare competenze trasversali quali abilità comunicativa e capacità di lavorare in team. I ‘Case Studies’ costituiscono la base per la preparazione alla prova pratica finale. 

INIZIO LEZIONI

Le lezioni iniziano il 22 febbraio 2021.

ESAMI

Modalità d'esame

Il presente modulo di insegnamento prevede lo svolgimento di una prova finale suddivisa in due parti (nella stessa giornata):

  • Prova pratica in aula informatica INFAL1 (al mattino, con inizio alle ore 9:30, durata 3 ore circa);
  • Prova orale (al pomeriggio).

Al termine della prova pratica, il docente indicherà luogo e orario (personalizzato per ciascuno studente) della prova orale del pomeriggio. La prova orale consiste in una discussione della prova pratica del mattino, con eventuali domande riguardanti tutta la parte teorica del modulo.

Informazioni supplementari:

  • in aul@web è disponibile un esempio di prova pratica con relativa soluzione;  
  • la prova pratica si svolge al calcolatore. Si può utilizzare unicamente il calcolatore disponibile in INFAL1. E' consentito portare una chiavetta USB contenente i codici di calcolo sviluppati durante il modulo (Case Studies), e qualunque altro materiale informatico (testi, appunti, programmi ecc.) ritenuto utile dallo studente. Durante la prova è consentito consultare testi e appunti personali in formato cartaceo. Per contro, durante la prova non e' consentito utilizzare il proprio portatile personale, ne' telefoni cellulari o smart phone. Inoltre, non e' consentito accedere ad Internet durante la prova;
  • le date in cui si può sostenere la prova finale sono disponibili on-line (‘Calendario Esami’ dell’Università di Genova);
  • l’aula INFAL1 è ampiamente disponibile per esercitazione. Il giorno precedente le date della prova finale, l'aula INFAL1 e' prenotata per gli studenti del modulo ‘Simulazione degli impianti di processo’ per esercitazione.

Modalità di accertamento

L’accertamento consiste in una prova pratica seguita da una discussione orale. La prova pratica ha lo scopo di verificare che lo studente abbia effettivamente acquisito capacità di utilizzo dei software applicativi dell’ingegneria chimica. A tale scopo, il docente propone un problema da risolvere mediante l’ausilio del calcolatore, utilizzando due metodologie parallele (una più semplificata e l’altra più dettagliata, delineate nel testo del problema) che richiedono l’utilizzo di due software differenti.  

Il problema proposto nella prova pratica di accertamento deve essere risolto applicando la metodologia adottata nei ‘Case Studies’:

  1. valutare la tipologia di modello più adatto per la risoluzione del problema (0-D, 1-D, 2-D, 3-D);
  2. scrivere le equazioni;
  3. risolvere le equazioni al calcolatore;
  4. verificare i risultati ottenuti.

Nella parte orale, gli elaborati (codici di calcolo) verranno discussi individualmente insieme a ciascuno studente. Il docente valuterà il livello raggiunto dallo studente in termini di conoscenza e capacità di utilizzo degli svariati software. La valutazione degli elaborati (codici di calcolo) terrà conto dei seguenti aspetti, in ordine decrescente di importanza:

  1. codice funzionante che produce risultati sensati (requisito minimo per il superamento della prova);
  2. stile e leggibilità dei programmi;
  3. efficienza di calcolo dei programmi.