TRANSPORT PHENOMENA FOR CHEMICAL ENGINEERING

Al termine del corso, lo studente deve conoscere i concetti fondamentali dei fenomeni di trasporto, tra cui il trasporto di quantità di moto, calore e materia. Deve padroneggiare le teorie di base, come le leggi di conservazione (massa, energia, quantità di moto), la formulazione delle equazioni costitutive e la comprensione dei modelli matematici che descrivono i processi di trasporto. È essenziale che sappia riconoscere e analizzare i principali fenomeni fisici coinvolti nei sistemi chimici, sia a livello macroscopico che microscopico. Inoltre, deve essere in grado di utilizzare metodi analitici e numerici per risolvere problemi relativi a diffusione, conduzione, convezione e scambio di materia e calore, avvalendosi degli strumenti presentati nel libro di testo "Introductory Transport Phenomena" di R. Byron Bird, Warren E. Stewart e collaboratori. Lo studente dovrà anche acquisire familiarità con le applicazioni pratiche dei fenomeni di trasporto nell’ingegneria chimica, identificando le soluzioni più idonee ai diversi contesti industriali. È fondamentale che acquisisca la capacità di riconoscere, osservare e comprendere gli eventi studiati nella materia anche nel mondo reale, sviluppando un approccio critico e riflessivo che gli consenta di gestire situazioni concrete e di interpretare i fenomeni in contesti diversi. In particolare, lo studente dovrebbe essere in grado di immaginare e rappresentare mentalmente come avvengono i fenomeni di trasporto, collegando teoria e pratica, e utilizzando simulazioni, esempi concreti e analogie per favorire una comprensione profonda dei processi.

È fondamentale che lo studente possieda una conoscenza approfondita delle leggi e delle equazioni che regolano i fenomeni di trasporto, comprendendo i principi fisici alla base dei processi diffusivi, convettivi e conduttivi. È inoltre indispensabile la capacità di applicare tali equazioni con rigore teorico agli scenari studiati, integrando i modelli con un’adeguata interpretazione dei dati reali. È necessario che lo studente sappia individuare correttamente le condizioni al contorno e i parametri necessari per l’impostazione di simulazioni numeriche, così da poter affrontare e comprendere casi reali attraverso strumenti computazionali.

L’insegnamento si svolge attraverso lezioni frontali ed esercitazioni pratiche, integrate da attività dimostrative e multimediali finalizzate a collegare i modelli teorici ai fenomeni reali. Le lezioni frontali introducono i principi fondamentali dei fenomeni di trasporto, discutendone limiti, ipotesi e condizioni di validità.

Le esercitazioni prevedono l’analisi guidata di problemi applicativi, la risoluzione di casi studio e l’impostazione di modelli matematici utili alla comprensione dei processi reali. Durante il corso vengono inoltre proiettate prove sperimentali multimediali, utili a visualizzare i fenomeni trattati e a interpretarne il comportamento fisico.

Una parte delle attività è dedicata all’utilizzo di strumenti di Computational Fluid Dynamics (CFD) per la simulazione dei fenomeni di trasporto, con particolare attenzione alla scelta delle condizioni al contorno e dei parametri fisici. Sono inoltre presentati modelli solidi 3D e dispositivi reali che rappresentano applicazioni dirette dei concetti studiati, al fine di favorire la comprensione dei fenomeni attraverso esempi concreti.

Qualora l’insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza, potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di garantire coerenza con il programma previsto.

• i concetti fondamentali di analisi matematica, con particolare riferimento a derivate, integrali e funzioni di più variabili;

• gli elementi essenziali di equazioni differenziali, sia ordinarie che alle derivate parziali, utili per interpretare le equazioni di bilancio;

• le nozioni di base della meccanica dei continui e della fisica classica, in particolare i concetti di forza, flusso, gradiente e conservazione;

• i principi fondamentali della termodinamica e dei fenomeni energetici (calore, temperatura, equilibrio);

• la capacità di leggere e interpretare dati sperimentali e grandezze fisiche.

Sono inoltre utili, anche se non indispensabili, familiarità con strumenti di calcolo numerico e con la formulazione di problemi con condizioni al contorno, poiché tali competenze facilitano l’impostazione di simulazioni e l’analisi di casi reali.

Il corso affronta in modo rigoroso e applicativo i principi fondamentali dei fenomeni di trasporto, analizzando i meccanismi di diffusione, conduzione e convezione attraverso le leggi costitutive e le equazioni di bilancio. Partendo dai modelli teorici classici, se ne discutono criticamente i limiti, le ipotesi semplificative e le condizioni di validità, con l’obiettivo di sviluppare nello studente la capacità di interpretare correttamente i fenomeni reali.

Vengono introdotte e applicate le equazioni differenziali che governano il trasporto di massa, quantità di moto ed energia, con particolare attenzione alla formulazione dei bilanci locali, alle condizioni al contorno e ai parametri fisici rilevanti. Il corso integra costantemente teoria e applicazione, mostrando come i modelli matematici costituiscano il punto di partenza per osservare, comprendere e prevedere il comportamento dei sistemi reali.

Una parte significativa delle lezioni è dedicata all’analisi di casi studio e alla preparazione di simulazioni numeriche, finalizzate a comprendere come i modelli vengano implementati in ambiente computazionale e come i risultati debbano essere interpretati criticamente alla luce dei dati sperimentali e delle condizioni operative.

Introductory Transport Phenomena (R. Byron Bird, Warren E. Stewart etc.) 

Perrys Chemical Engineers Handbook (Don W. Green, Robert H. Perry)

Transport Phenomena Fundamentals (Joel L. Plawsky)

SolidWorks Flow Simulation 2024 Black Book (Gaurav Verma , Matt Weber)

L’esame prevede tre test in itinere con domande a risposta multipla, ciascuno dedicato alle conoscenze relative a una delle tre leggi fondamentali trattate nel corso. I test mirano a verificare la comprensione dei modelli teorici, la capacità di interpretarli criticamente e l’abilità nel collegarli ai fenomeni reali.

Al termine del corso è previsto un colloquio orale, finalizzato a valutare la maturità complessiva dello studente nella comprensione dei fenomeni di trasporto e nella capacità di applicare i modelli ai casi reali.

La valutazione complessiva terrà conto dei seguenti criteri:

• pertinenza delle risposte rispetto alle domande formulate;

• qualità e accuratezza dei contenuti esposti;

• capacità di collegare i temi teorici a fenomeni reali, anche tratti dalla vita quotidiana;

• abilità nel fornire esempi pertinenti e ben argomentati;

• proprietà del linguaggio tecnico e chiarezza espositiva;

• capacità di semplificare e spiegare i fenomeni mantenendo rigore scientifico e coerenza con gli eventi studiati.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo richiedano. A garanzia di pari opportunità, gli studenti interessati possono richiedere un colloquio personale per programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in accordo con il docente referente CInAP del Dipartimento.