Le discipline che forniscono i fondamenti per lo studio

1. Le discipline che forniscono i fondamenti per lo studio • dell’ingegneria delle reazioni chimiche sono: • Termodinamica chimica • Cinetica chimica • Trasporto molecolare di materia e di energia • Fluidodinamica

2. La Termodinamica chimica (o Termochimica) fornisce il legame che esiste fra la composizione, la temperatura e la pressione di un sistema reagente. I legami chimici si formano e si rompono durante le reazioni chimiche. Per conseguenza, l’energia potenziale chimica immagazzinata nelle molecole può diminuire (reazioni esotermiche) o aumentare (reazioni endotermiche), a beneficio o a spese dell’energia cinetica delle molecole. L’energia cinetica delle molecole di un sistema è legata alla temperatura: ad esempio, per un sistema gassoso, la temperatura è legata direttamente all’energia cinetica traslazionale delle molecole (teoria cinetica dei gas).

3. Nelle condizioni favorevoli, tutti i sistemi tendono a raggiungere una configurazione di equilibrio. L’equilibrio si raggiunge attraverso un percorso praticabile per il sistema, compatibile con i vincoli fisici (per esempio volume costante o pressione costante) e nel rispetto dei principi di conservazione di massa, energia e quantità di moto. La condizione di equilibrio si associa al valore minimo assunto da una grandezza (potenziale termodinamico) opportunamente definita. Per i sistemi reagenti questa grandezza è spesso l’energia libera di Gibbs.

4. Le reazioni chimiche nella realtà avvengono per condurre il sistema all’equilibrio con una velocità finita.Tale velocità dipende dalla composizione chimica del sistema, dalla temperatura e dalla pressione secondo leggi verificate negli studi di cinetica chimica. Perciò possiamo dire che la termochimica fissa il traguardo e la cinetica regola la velocità con cui il traguardo viene inseguito dal sistema reagente.

5. Esempio: reazioni in fase gassosa. Un atto reattivo può avvenire quando due o più molecole si urtano. Non tutti gli urti fra le molecole determinano una trasformazione chimica. Affinché si compia un atto reattivo coinvolgente una o più molecole, è necessario superare una barriera energetica (energia di attivazione). L’energia necessaria può essere ottenuta convertendo una parte dell’energia cinetica delle molecole coinvolte nella trasformazione, o anche da molecole che partecipano alla collisione ma non alla reazione.

6. Esempio: reazione bimolecolare del primo ordine in fase gassosa. Eventi di trasformazione chimica in un sistema gassoso possono avvenire in misura significativa se sussistono le seguenti condizioni: • Molecole di entrambi i reagenti sono presenti in gran numero (più ce ne sono, più probabili sono gli urti fra molecole delle due specie) • L’energia cinetica media delle molecole (cioè la temperatura del sistema) è alta abbastanza (ciascun urto ha maggiori possibilità di successo cioè rompere e/o formare legami chimici)

7. Real systems are non-uniform in space. This produces gradients in species concentrations and temperature. Flames are present when strong gradients exist. Gradients are the driving forces for molecular transport of mass and heat. Molecular transport phenomena govern both premixed and diffusion flames.

8. Most combustion processes take place in fluids in motion. Thus, when composition and temperature gradients are present in a flow field, convection can be an important, if not dominant, mechanism of transport. Moreover, most combustion processes are designed to take place in a turbulent flow. Turbulent flows are the most complex phenomena in fluid mechanics.

9. Finally, observe that all of the above phenomena are physically coupled to each other. Temperature increases due to exothermic chemical reactions, thus density must decrease according to the constitutive equation (for example the ideal gas law). Density decrease implies expansion in the fluid flow. This creates motion that influences the spatial distribution of species and temperature, and so on. Moreover, molecular transport coefficients, including viscosity, all depend on temperature.

10. Simulation of many gas–phase combustion processes is nowadays feasible by means of computer codes solving initial and boundary value problems on Navier–Stokes equations written for reactive systems. Multi–phase combustion can also be described by coupling gas–phase and condensed–phase equations, via boundary conditions when a separation interface is present, or via source terms for dispersed condensed–phase. However, most systems are just too complex to be fully described in their detail. Therefore one has to resort to some modelling.

11. Models There are distributed–parameter models, in which state variabes are function of position and time, and lumped–parameter models, in which variables may be only function of time or of a time-like variable. Lumped parameter models, in contrast with distributed parameter models, are built by making assumptions on spatial uniformity of the state variables.

12. Classic models for ideal chemical reactors, developed in chemical reaction engineering: • Batch Reactor • Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) • Plug-Flow (tubular) Reactor