UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

CORSO DI DOTTORATO IN INEGNERIA DEI PRODOTTI E DEI PROCESSI INDUSTRIALI

Ciclo 32°

Proposta di progetto di dottorato

Il sottoscritto Prof. Almerinda Di Benedetto

Professore IF ☐ Professore IIF ● Ricercatore ☐ Ricercatore a tempo determinato ☐

afferente al Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale

chiede di essere inserito nell’elenco dei tutors per il 32° ciclo.

Tematica di ricerca proposta:

Valorizzazione della glicerina: processo di produzione dell’acido acrilico

Curriculum di riferimento:

☐ Ingegneria dei Materiali e delle Strutture

● Ingegneria Chimica

☐ Tecnologie e Sistemi di Produzione

N° di dottorandi con borse ministeriali dei quali il proponente è stato tutor nell’ultimo triennio 1

Curriculum del proponente (Max 500 parole. Indicazione di pubblicazioni, brevetti, responsabilità di o coinvolgimento in progetti di ricerca, esperienze scientifiche) con riferimento alla tematica propostaBibliometric Indicators (data source: Scopus - July 2016)Publication - last 10 years : 85Citations /academic age = 68h contemporary = 15h = 20

Education- 1995, Laurea Degree (summa cum laude) in Chemical Engineering, UNINA, Napoli, IT - 1999, PhD Degree in Chemical Engineering, UNINA, Napoli, ITQualifications- 2013; 2014, Qualified as Full Professor, Italian Qualification (ASN), Sector 09/D3- 1995, Qualified as Engineer, UNINA, Napoli, ITPrevious Positions- 2001-2011, Researcher, IRC-CNR, Napoli, IT- 2001, Post-Doctoral Fellow, GNDRCIE-CNR, Napoli, IT- 1999-2001, Senior Researcher at Montell Polyolefin Ferrara (ITALY)- 1998, Visiting Researcher, Twente University, NL - 1995-1998, PhD Student, UNINA, Napoli, IT- 1995 Contract Researcher at Centro di Ricerca Termico di ENEL, Pisa Euroflam Program. Awards- Best thesis in energy and environmental issues Q8 (1995)- Prize CNR “Highlights 2008-2009” for the article “A Novel Catalytic-Homogenous Micro-Combustor” (Catal Today, 147S (2009) S156-S161)- Award Top CITED PAPER for 2010 and 2011: Proc. Safety and Env. Prot. 88 (2010) 341-349-Award Top CITED PAPERS for 2011 and 2012: Powder Technology: Garcia-Agreda A., Di Benedetto A., Russo P., Salzano E., Sanchirico R. Powder Technology, 2011, Volume 205, pp. 81-8Major Roles in Research Projects and Contracts-FP7: INTEG-RISK, FP7-NMP-20007-LARGE.1 del 7° Programma Quadro della Comunità Europea, Topic NMP-2007-3.1-3 (2008-2013)-Scientific Responsible for several research contracts with private companies (WORGAS Bruciatori; CESI; Novartis; ILVA; AVIO; DSM; EJASE)-Member of several committes as CTU (Tribunale di Biella; Tribunale di Napoli)- Member of several National projects (PRIN2001; PRIN2002; PRIN2003; FIRB2012; FISR 2006-2009; MiSE/CNR; Regione Veneto 2006-2009; for the IRC-CNR FIRB 2012 - MIUR) - Member of the Group of Int. Experts for the EU funded project SUSANA (SUpport to Safety ANAlysis of Hydrogen and Fuel Cell Technologies) (2013-2016)- Principal investigator CASPUR grant (2009)Keynote and Invited Presentations- Keynote Presentation “CFD Simulations of the 20 L Explosion Vessel” - 3rd

IND EX (Nuremberg, DE, 2013)- Keynote Presentation “LES Modeling of CH4/Air Premixed Flames Propagating around Obstacles” 12th Int. Symposium on Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries (Edinburgh, UK, 2007)

- Invited Presentation - “Critical Issues in CFD Modelling of Hydrogen Deflagration” SUSANA Int. Expert Workshop (Athens-Vouliagmeni, EL, 2014)- Invited Presentation - “On the New Phenomenon of Combustion-Induced Rapid Phase Transition” IKET-KIT (Karlsruhe, DE, 2013)- Invited Presentation “Dust Explosions: Experimental and Modelling Activity” - IKET-KIT (Karlsruhe, DE, 2013)- Invited Presentation “A New Mechanism of Super-High Pressure Generation in Hydrogen-Oxidiser Systems” EU Technical School on Hydrogen and Fuel Cells 2013 (Heraklion, Crete, EL, 2013)- Invited Presentation “Gaps in Hydrogen Deflagration Modelling” EU Technical School on Hydrogen and Fuel Cells 2013 (Heraklion, Crete, EL, 2013)Activity as Guest Editor, Reviewer, Evaluator and Examiner-Member of the Editorial Board of the Journal of Loss Prevention in the Process Industries -Guest Editor of the Special Issue: “CFD for explosion”, Journal of Loss Prevention in The Process Industries, Elsevier, 2008-Guest Editor of the Special Issue dedicated to prof. G. Russo, Industrial and Engineering Chemistry Research, 2012.-Scientific Advisory Board X ISHPMIE, Bergen, 2014- Scientific Advisory Board International Scientific Committee 6th International Conference on Safety & Environment in Process & Power Industry - 2014, Bologna , Italy- Scientific Advisory Board 5th International Conference on Safety & Environment in Process Industry - Milan, 2012- Scientific Advisory Board 6th International Conference on Safety & Environment in Process Industry - Bologna, 2013-Chair of the “Packaging Processes” Session at 1st Int. Congress “Advances in the Packaging Industry” (Napoli, IT, 2015)-Chair of the “Fire Safety” Session at MCS11, Mediterranean Combustion Symposium, 8-13 Giugno, 2015 Rodi (Grecia)-ChairLady at many international congresses (CISAP2; CISAP4; MCS7…) - Reviewer for many international refereed journals of Chemical Engineering and international conferences- Reviewer of several book proposals for Elsevier- Member of the Int. Scientific Committee of ICheaP11 (Milan, IT)- Expert for MIUR - Evaluator of national (MIUR) and international (Romanian, Republic of Kazakhstan) research projects- Member of several PhD and Researcher juries in Italy (Politecnico di Torino, Università di Padova) and abroad (France) Organizing Activity- Congress “Processes and Technologies for a Sustainable Energy”, Ischia 2010;- Organizing “CISAP2, Second International Conference on Safety & Environmental in Process Industry”, Napoli, 2006- Int. Course “FLACS and DESC” with the company GexCon (Napoli, IT, 18-22 June, 2012)- 1st Int. Congress “Advances in the Packaging Industry” (Napoli, IT, 19-20 November, 2015)

Sintesi del Progetto di Ricerca (Max 500 parole. Stato dell’arte, breve programma previsto per le attività e obiettivi)

Stato dell’arteLa reazione di produzione del bio-diesel ha come sotto-prodotto il glicerolo (per ogni tonnellata di biodiesel vengono prodotte 0.1 tonnellate di glicerolo):

Gli utilizzi del glicerolo (farmaceutico, cosmetico, alimentare…) sono vari ma al momento il mercato è saturo. Di conseguenza, nasce l’esigenza di trasformare il glicerolo in prodotti a maggiore valore aggiunto.Un processo promettente è quello di conversione catalitica del glicerolo ad acido acrilico che è il monomero largamente impiegato nella produzione di polimeri incolori, elastici, adesivi e stabili alla luce.

Una della problematiche di processo più rilevanti è quella legata al controllo dei profili spaziali di temperatura.La reazione di trasformazione del glicerolo ad acroleina è endotermica mentre quella di formazione dell’acido acrilico è esotermica. Inoltre, la generazione di hot-spots può attivare reazioni secondarie indesiderate.Al fine di poter ottimizzare il controllo termico è stata proposta la configurazione di processo one-pot. In tale configurazione le due reazioni vengono fatte avvenire nello stesso reattore. Tuttavia, c’è l’esigenza di avere un unico catalizzatore in grado di attivare entrambe le reazioni che sono di natura completamente differente.La classe di catalizzatori più promettenti è stata sviluppata dal gruppo di ricerca del Prof. José M. López Nieto e successivamente testata dal gruppo del prof. F. Cavani (Università di Bologna) [Chieregato et al. App. Catal B: Env., 150-151, 2014, 37-46]. I test su tali catalizzatori sono stati condotti utilizzando un reattore a letto impaccato, in cui il catalizzatore è presente in forma di polvere.Tra le diverse configurazioni reattoristiche, i reattori a struttura monolitica hanno prestazioni superiori rispetto ai reattori non strutturati, in termini di controllo di temperatura.

Obiettivo

L’obiettivo della proposta è quello di sviluppare un processo di produzione dell’acido acrilico a partire da glicerolo che si basi su un reattore strutturato nel processo one-pot.Il sistema catalitico da utilizzare è quello sviluppato dal prof. Prof. López Nieto, che verrà depositato sulle pareti del monolito.

Descrizione dell’ attivitàL’attività verrà svolta in collaborazione con il prof. Prof. López Nieto (Universidad Politécnica de Valencia, Spain) ed il prof. F. Cavani (Università di Bologna).Di seguito vengono sinteticamente descritte le fasi dell’attività:

1) Preparazione del catalizzatore (?) strutturato

Il substrato monolitico che verrà utilizzato è mostrato in figura. Su tale monolito verrà depositato il washcoat di Al2O3 per aumentare l’area superficiale su cui verrà successivamente depositata la fase attiva catalitica.

Verranno utilizzati monoliti con diverse densità di cella e conducibilità termica. La fase attiva verrà depositata presso Universidad Politécnica de Valencia sotto la guida del Prof. López Nieto.

2) Caratterizzazione del catalizzatore

a. Caratterizzazione morfologica La microscopia a scansione elettronica (SEM) verrà utilizzata per la misura dell’altezza dello strato catalitico, la verifica dell’omogeneità di deposizione dello stesso lungo i canali dei monoliti. Inoltre si misureranno, su opportune sezioni dei monoliti, area superficiale e distribuzione dei pori mediante analisi BET. L’analisi EDS della superficie consentirà di verificare la distribuzione degli elementi.

b. Caratterizzazione delle proprietà redox e acido baseLa capacità redox del catalizzatore e le proprietà acido base verranno misurate mediante prove di Temperature Programmed Reduction (TPR) utilizzando idrogeno come agente riducente e Temperature Programmed Desorpition (TPD) utilizzando ammoniaca come molecola sonda. Attraverso la deconvoluzione e/o la modellazione cinetica dei profili TPR e TPD sarà possibile effettuare una dettagliata analisi qualitativa e quantitativa delle specie redox e acide rispettivamente.

3) Valutazione delle prestazioni catalitiche dei sistemi preparati e caratterizzati

A tal fine sarà necessario seguire i seguenti step:a. progetto e realizzazione dell’impianto sperimentale.b. messa a punto del sistema d’analisi. È necessario mettere a punto una

procedura che consenta la separazione dei prodotti condensabili dai gas permanenti. Inoltre, è necessario prevedere due sistemi di analisi per i prodotti e i reagenti presenti in fasi diverse, ossia un sistema di analisi per i liquidi e uno per i gas.

c. test in impianto per valutazione delle prestazioni. Verranno effettuati test catalitici al variare dei principali parametri operativi per l’ottimizzazione della conversione di glicerolo e resa ad acido acrilico. I risultati dei test verranno correlati a quelli di caratterizzazione per l’ottimizzazione della formulazione del catalizzatore.

4) Sviluppo del modello

Al fine di valutare l’evoluzione spazio-temporale dei profili di temperatura sulla superficie catalitica, verrà sviluppato un modello matematico che sia in grado di simulare l’accoppiamento tra campo di moto, temperature e concentrazioni.

Informazioni sintetiche relative a: attrezzature/software disponibili, disponibilità finanziaria, collaborazioni con altri enti di ricerca italiani e ed esteri (eventualmente anche con aziende) potenzialmente rilevanti con riferimento specifico alla tematica proposta.

Attrezzature

SEM/EDAX Analisi morfologica/elementiQuantachrome Autosorb 1-C Porosità/Area superficialeTPR/TPD Autochem II Micrometrics

proprietà REDOX e acido base del catalizzatore

Gas Cromatografo Misura concentrazione dei prodotti liquidiHPLC Misura concentrazione dei prodotti liquidiAnalizzatore gas in continuo Misura concentrazione dei prodotti

gassosiICP Analisi elementare

Software

Il modello matematico verrà sviluppato mediante l’ausilio del codice CFD ANSYS. Le simulazioni verranno condotte in parallelo su una workstation

Collaborazioni

Ing. G. Landi Istituto di Ricerche sulla Combustione – CNRIng. G. Ruoppolo Istituto di Ricerche sulla Combustione - CNRProf. José M. López Nieto, Universidad Politécnica de Valencia, Spain. Prof. F. Cavani – Università di Bologna, Italia

Informazioni sintetiche relative ad eventuale periodo all’estero previsto per il dottorando (periodo, gruppo di ricerca, Università, ente di Ricerca….)

Il dottorando trascorrerà un periodo di 6 mesi presso il gruppo di ricerca del prof. José M. López Nieto, Instituto de Tecnología Química, UPV-CSIC, Campus de la Universidad Politécnica de Valencia, Avda. Los Naranjos s/n, 46022 Valencia, Spain.

L’obiettivo di tale periodo è quello di sviluppare fasi attive innovative e depositarle sui monoliti e di integrare eventualmente caratterizzazione dei catalizzatori con tecniche disponibili nella struttura ospitante.

Il sottoscritto garantisce, sotto la propria responsabilità, di poter accedere a risorse tecniche e finanziare adeguate a supportare le attività necessarie al corretto sviluppo del progetto di ricerca proposto.

Napoli, _7/7/2016 Firma del richiedente: ____________________