Chimica dei processi di Combustione M - Appunti

CHIMICA DEI PROCESSI DI COMBUSTIONE LM

(CdLM in Ingegneria Energetica e CdLM in Ingegneria Meccanica)

A.A. 2015/16 - Docente: Prof. Andrea Munari

Richiami di Chimica di base

. Richiami sulle configurazioni elettroniche dei principali elementi della Tavola Periodica e sulle loro

proprietà.Richiami sulle principali caratteristiche dei diversi tipi di legame chimico.

Termodinamica Chimica

Richiami di termochimica: entalpie standard di reazione, di formazione e di combustione-Richiami

al secondo principio della termodinamica.· Le condizioni per la trasformazione spontanea di un

sistema non isolato a T e P costanti: l'energia libera di Gibbs. Considerazioni sulla spontaneità dei

diversi tipi di reazioni. L'equilibrio chimico da un punto di vista termodinamico: l'isoterma di Van't

Hoff e le condizioni di equilibrio per una reazione chimica. Espressioni della costante di equilibrio

per i sistemi ideali e per quelli non ideali. Reazioni eterogenee. Richiami sull'effetto di temperatura

e pressione sull'equilibrio chimico in fase gas.

Cinetica Chimica

Richiami sui fondamenti deìla cinetica chimica. Meccanismi di reazione semplici e complessi.

Molecolarità delle reazioni semplici ed ordine di reazione; il caso delle reazioni monomolecolari.

Cinetica di alcuni tipi di reazioni complesse: reazioni parallele, convergenti, consecutive. L'ipotesi

dello stato stazionario. Cinetica delle reazioni a catena semplice: il caso della reazione di sintesi di

HBr. Le reazioni a catena ramificata ed i criteri per l'esplosione: il calcolo del valore critico del

fattore di moltiplicazione dei radicali. Effetto della temperatura sulla velocità di reazione: la teoria

delle collisioni molecolari e l'equazione di Arrhenius; il complesso attivato ed il fattore sterico.

Reazioni che non seguono l'equazione di Arrhenius. I catalizzatori; catalisi omogenea ed

eterogenea: generalità. Catalisi eterogenea (gas-solido): il fenomeno dell'adsorbimento chimico e

cinetica di adsorbimento con e senza dissociazione delle molecole dei reagenti (modello di

Langmuir).

Combustione.

Generalità sulle reazioni di combustione: combustibili e comburenti, il fenomeno

dell' autoaccensione. L'aria teorica di combustione ed i limiti di infiammabilità; il rapporto di

equivalenza. Vari tipi di esplosione; la detonazione ed il numero di ottano delle benzine. Potere

calorifico superiore ed inferiore. La temperatura adiabatica di fiamma ed il suo calcolo nelle diverse

condizioni.

Curva limite di esplosività e meccanismo di combustione dell'idrogeno; meccanismi di

combustione del monossido di carbonio, del metano (a bassa e ad alta temperatura), degli

idrocarburi, ecc. Il fenomeno delle fiamme fredde. La formazione di ossidi di azoto nella

combustione: il meccanismo termico e quello prompt, l'effetto della presenza di azoto nei

combustibili; altri contributi alla formazione degli Cenni sulla formazione degli ossidi e di

NO x.

altri composti dello zolfo. Il particolato: sua struttura e pericolosità;' cenni ai meccanismi di

formazione.

Effetti sull'ambiente della combustione.

La struttura dell'atmosfera. Cenni al gradiente adiabatico secco nella tropo sfera; la stabilità e le

condizioni di inversione termica. I principali inquinanti rilasciati nell'atmosfera in seguito a

processi di combustione. La chimica della troposfera: generalità. L'ossidazione di CH nella

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tropo sfera. Lo smog fotochimico: la formazione di ozono, perossido di idrogeno, P AN ed acido

nitrico. Meccanismi di ossidazione di S02. Le piogge acide e loro effetti sull'ambiente. Sistemi

catalitici per la riduzione degli inquinanti: le marmitte catalitiche TWC e i sistemi ad accumulo; i

sistemi SRC di abbattimento degli NO,. Richiami di elettrochimica; le pile a espansione di gas.

Sensori di gas: la sonda lambda. Sistemi attivi e passivi per la riduzione del particolato nei gas di

sèarico dei motori diesel.

L'assorbimento e l'emissione di radiazione elettromagnetica IR da parte delle molecole: moti

rotazionali e vibrazionali, i modi normali di vibrazione, gli spettri a bande.

L'effetto serra ed il riscaldamento planetario: il diossido di carbonio e gli altri gas responsabili

CO

dell'effetto serra. Retroazioni positive e negative. Metodi di immagazzinamento di 2.

Caratteristiche dei combustibili, CDnparticolare riferimento a quelli da fonti rinnovabili: energia e

combustibili da biomasse. Metanolo ed etanolo, biodiesel, idrogeno: vantaggi, svantaggi e

prospettive. Metodi di produzione dell'idrogeno e problematiche relative allo stoccaggio. Le celle a

combustibile: principi di funzionamento e differenti tipologie.

Chimica della stratosfera: lo strato di ozono. Assorbimento di radiazioni UV da parte di ossigeno

ed ozono. Meccanismi di formazione e di scomparsa di quest'ultimo nella stratosfera ed effetti

termici connessi. La formazione stagionale del 'buco' dell'ozono sull'Antartide. Processi catalitici

nella distruzione dell'ozono: l'effetto dei CFC e di altri inquinanti.

Testi consigliati (da consultazione):

I. Glassman - Combustion, Academic Press, III Ed., 1996.

S.R. Turns - An introduction to combustion, Me Graw-Hill, II Ed., 2000.

e. Baird, M. Cann - Environmental Chemistry, W.H. Freeman Co., 3rd Ed., 2004:

&

R.A. Michelin, A. Munari - Fondamenti di Chimica, CEDAM, 20 Il.

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