Francesco Fatone

08/10/2013
Laboratorio di Fondamenti di
Processi e Impianti Biotecnologici
Ing. Francesco Fatone
[email protected]
Dott. Letizia Zanetti, Ing. Evina Katsou
[email protected]; [email protected]
Francesco Fatone
• [email protected]
• University of Verona – Department of
Biotechnology
• www.labicab.it
• www.water2020.eu
• www.ecostp.org
• www.iwasmallwater2013.org.cn
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5 main research topics
• Integrated treatment of urban wastewater and biowaste
• Anaerobic co-digestion of biowaste (i.e. bio-hythane)
• Short-cut enhanced nitrogen and phosphorus
removal from anaerobic effluents
• Occurrence and removal of low-level nonconventinal and emerging contaminants from
wastewater
• Revamping existing urban wastewater treatment
plants by innovative BATNEEC
Experimental facilities at the
Treviso integrated treatment
plant
The “bench-scale” labs @
UNIVR-Verona
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Development: the pilot hall @
UNIVR-Treviso
Experimental facilities at the
Treviso integrated treatment
plant
Basically, two main research topics:
•Treatment of wastewater and/or liquid waste
•Anaerobic digestion of organic waste
EC-funded ongoing projects
EC
FUNDING ACRONYM
PROGRAM
FP7 (Cooperation)
ROUTES
Life+
"Environmental
and Governance"
FP7 (People)
2011 ISWM
Policy
LEF
BIOWASTE
FP7 (Cooperation)
VALORGAS
IEE (Intelligence Energy GR3
Europe)
Life+
"Environmental
and Governance"
2012 LIVE WASTE
Policy
TITLE
PERIOD
Innovative systems solutions for municipal 2012-2014
sludge treatment and management
Integrated solid waste management
2012-2014
Low Environmental Footprint Biological
Treatment Processes for Waste and
Wastewater Treatment
Valorization of Food Waste to Biogas
GRass as a GReen Gas Resource: Energy
from landscapes by promoting the use of
grass residues as a renewable energy
resource
Sustainable management of livestock waste
for the removal/recovery of nutrients
2012-2016
2010-2013
2012-2014
2013-2016
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Programma
Esercizi di calcolo:
• Unità di misura e analisi dimensionale
• Rappresentazione grafica di un processo chimico (schemi
a blocchi e P&Id) con utilizzo del software Microsoft Office
Visio
• Bilanci di massa e di energia, eventualmente sviluppati in
Microsoft Office Excel
• Trasporto di materia e scambio di calore
Esercitazioni in laboratorio:
• Bilancio di materia per bioreattori anaerobici
• Bilancio di materia per bioreattori aerobici
• Trasporto di materia in sistemi biologici gas/liquido
Dimensioni e unità
•
Le dimensioni rappresentano il concetto di misura
– fondamentali: lunghezza, tempo, massa, temperatura, …
– derivate: energia, forza, velocità, pressione, …
•
Le unità sono i mezzi utilizzati per esprimere tali dimensioni.
Diverse convenzioni possono essere usate (talvolta dipendono
dal sistema che si sta considerando)
– sistema SI: metri, secondi, chilogrammi, gradi Kelvin, joule, newton,
metri/secondo, pascal, …
– sistema AE: piedi (feet), secondi, libbre (pounds), gradi Fahrenheit,
Btu, libbra-forza (pound-force), piedi/secondo, psi, …
•
Importante: Le unità di misura vanno usate in modo consistente!
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Grandezze fondamentali e derivate
http://www.bipm.org/en/si/
Grandezze fondamentali e derivate
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Mole
• La mole è una certa quantità di materiale che
corrisponde ad un numero fisso di molecole, atomi,
elettroni, …
• Secondo il sistema SI, la mole è la quantità di materia
che contiene tante unità elementari quante sono
contenute in 0.012 kg di carbonio 12 (6.022  1023)
• Il peso molecolare (o atomico) è definito come il rapporto
massa/mole
– una mole di materiale pesa tanti g quanto il valore del peso
molecolare o atomico del materiale stesso
Densità
• La densità è la massa per unità di volume (kg/m 3)
• Il volume specifico è il rapporto inverso (m3/kg)
• Per una soluzione con n componenti:
n
m   mi
i 1
n
V   Vi
(solo per soluzioni ideali)
i 1

m
1
;Vˆ 
V

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Frazioni molari/ponderali e
concentrazione
• La frazione molare xA è il rapporto tra il numero di moli di
un particolare composto A in soluzione e il numero di
moli totale nella soluzione
• La frazione ponderale wA è il rapporto tra la massa di un
particolare composto A in soluzione e la massa totale
della soluzione
• La concentrazione è la quantità di un particolare
composto per volume di soluzione; può essere definita
come:
– moli del composto su volume (mol/m3)
– massa del composto su volume (kg/m3)
– parti per milione (ppm); parti per miliardo (ppb):
• sono frazioni ponderali (solidi, liquidi) o molari (gas)
Scegliere una base
• La base è un riferimento scelto per fare i calcoli nel
problema che deve essere risolto
• La scelta opportuna di una base può semplificare
notevolmente i calcoli
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Temperatura e pressione
• È frequente l’uso di due scale per la temperatura: gradi
Celsius (ºC) e gradi Kelvin (K). La scala Kelvin è detta
assoluta (lo zero deriva da leggi termodinamiche e
corrisponde a -273.15 ºC)
• Anche la pressione può essere espressa in modo
relativo o assoluto. La pressione relativa è intesa con
riferimento alla pressione atmosferica (che è variabile!)
• La misura di pressione in termini di vuoto (ad esempio 2
mmHg di vuoto) indica che si sta misurando la pressione
dalla pressione atmosferica verso lo zero della pressione
assoluta
Pressione: unità di misura
• Unità di misura frequenti per la pressione sono:
– Pascal (Pa)
– bar (1105 Pa)
– atmosfera (1 atm = 1.013 bar); talvolta si usano i
simboli ata e ate per indicare misure assolute o
relative rispettivamente;
– millimetri di mercurio (760 mmHg = 1 atm)
– millimetri d’acqua (1104 mmH2O = 1 atm)
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Esercizio “propedeutico”
Determinare le dimensioni e le unità di misura delle
seguenti grandezze derivate: Velocità,
Accelerazione, Forza, Lavoro, Potenza, Pressione,
Densità, Peso specifico, Portata volumetrica, Portata
di massa
Procedura
• Definizione
es: Velocità = spazio/tempo
• Equazione dimensionale
es:
velocità   spazio    L   [ LT 1 ]
 tempo 
• Unità di misura:
T 
velocità 
spazio m

tempo s
La pressione e la sua misura
•Effettiva o relativa o manometrica = differenza di pressione esistente
tra sistema e ambiente esterno
•Assoluta = somma tra pressione effettiva e ambiente esterno
1 atm ≡ 760 Torr = 760 mm di mercurio (mmHg)
= 101 325 Pa = 101 325 N/m² = 10 332 kgf/m²
= 1 013,25 hPa = 1 013,25 mbar
= 1,01325 bar
= 1,033 kgf/cm²
= 29,92126 pollici di mercurio
= 14,695949 libbre forza per pollice quadro (lbf/in² o
psi),
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Esercizio “propedeutico”
Su un piano quadrato di L = 2m è posato un tank
di peso trascurabile contenente 5 litri di liquido
avente peso specifico di 850 kgf/m3. Determinare
la pressione agente sul piano espressa in Pascal
Kgf: Unità di misura della forza nel sistema tecnico, simbolo kgf, pari a quella che,
applicata alla massa di 1 kg, le imprime un'accelerazione pari alla gravità campione
Soluzione
Pressione = (peso specifico *
volume)/superficie
1 Pa = 1 N/m2
Superficie = 4 m2
Volume = 5 L =? m3
Peso specifico = 850 kgf/m3 = 850*9.81
N/m3
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Analisi dimensionale
• Verificare l’esattezza dimensionale
dell’espressione
Energia = Pressione x Volume
• Trovare la dimensione della costante K
nella legge di Fourier, che descrive la
trasmissione di calore per conduzione è
Q  K *S *
T
s
dove Q = kcal/h, S = m2 , ΔT = °C
Espressione della
concentrazione
Un off-gas prodotto in un processo di
fermentazione a P = 1 atm, T = 25°C ha
composizione v/v%: N2 78,2% ; O2 19,2%;
CO2 2,6%. Calcolare: (a) la composizione
del gas espressa in massa; (b) i grammi di
CO2 presenti in ogni m3 di gas prodotto
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Soluzione (1)
Dal momento che il gas è a bassa
pressione, posso considerarlo in
condizioni ideali, e le percentuali v/v%
considerarle come moli/moli%. Pertanto,
100 gmol di off-gas contiene:
78.2 gmol N2 * (28 gN2/1 gmol N2) = 2189,6
g N2
…per O2
…per CO2
Soluzione (2)
Pertanto, la massa totale del off-gas è
(2189,6 + … + … = 2918,4 g, e la
composizione del gas in massa w/w%
sarà pari a:
2189,6g/2918,4g x 100=75%N2
…%O2
… %CO2
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Soluzione (3)
In ogni m3 di offgas saranno presenti 26 L di
CO2.
• Le moli (n) di CO2 presenti possono
essere calcolate dalla legge universale
dei gas perfetti PV = nRT -dove P = 1
atm; V = 0,026 m3; T = 298,15 K; R =
0,000082057 m3 atm/gmol K)Posso quindi calcolare la massa di CO2
emessa conoscendo il PM della CO2
Stechiometria
La reazione di conversione microbica da
glucosio ad acido glutammico è
C6 H12O6  NH 3  3 O2  C5 H 9 NO4  CO2  3H 2O
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Calcolare quanta massa di O2 è necessario
fornire stechiometricamente al bioreattore
per produrre 15 g di acido glutammico
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Parte prima soluzione esercizio
compito d’esame
Si consideri il seguente schema di processo per la produzione di metanolo che lavori in
continuo e in stato stazionario. La conversione di CO nel reattore sia pari al 20%.
Determinare le portate di E e P e le composizioni incognite di P. F sia pari a 100 kg/h
Tutte le composizioni sono frazioni molari. La stechiometria della reazione sia:
CO  2 H 2  CH 3 OH
CH3OH 100%
E
F
Separatore
Reattore
H2= 0.673
CO= 0.325
CH4 = 0.002
R
H2 = ?
CO = ?
CH4 = 0.032
P
Se la portata influente è di 100 kg/h e le concentrazioni molari sono quelle di figura, si
procede subito con il calcolo della portata molare in mol/h
Portatamolare(
kgmolH 2
kgmolCH 4
kgmol
kg
2kg
28kg
kgmolCO
16kg
)  100 /(
* 0.673

* 0.325

* 0.002
)  9.54kgmol / h
h
h kgmolH 2
kgmolTotali kgmolCO
kgmolTotali kgmolCH 4
kgmolTotali
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