Piano attività Montante 2016

CARATTERIZZAZIONE SPERIMENTALE E MODELLAZIONE CFD DI
APPARECCHIATURE DI PROCESSO
Sintesi del progetto di ricerca
Reattori chimici ed apparati che trattano fluidi in moto turbolento e sistemi multifase sono
largamente diffusi nell'industria chimica e di processo (si citano quali esempi: reattori "slurry",
precipitatori, dissolutori, cristallizzatori, fermentatori, ecc.). La comprensione e la
quantificazione del comportamento fluidodinamico e degli aspetti ad esso correlati, quali la
distribuzione della fase dispersa, l’omogeneizzazione della fase liquida, lo scambio di materia
e/o di calore, sono requisiti necessari per la scelta più appropriata e la progettazione di tali
apparati, per la previsione del loro comportamento, per la gestione ed il controllo. L’impiego di
tecniche di caratterizzazione sperimentale locali e non intrusive e lo sviluppo di metodi di
modellazione basati sulla Fluidodinamica Numerica (CFD) hanno consentito, negli ultimi anni,
di effettuare notevoli passi avanti nella comprensione delle apparecchiature e di conseguenza di
tracciare la strada per un avanzamento considerevole nei metodi di progettazione e di
ottimizzazione. Pertanto, lo sviluppo delle tecniche sperimentali e numeriche avanzate riveste a
tutt’oggi grande interesse scientifico ed applicativo. Il presente programma di ricerca è
incentrato sull’analisi di sistemi solido-liquido e, in misura più limitata, di sistemi gas-liquido in
apparecchiature di processo, con particolare attenzione ai reattori agitati e ai miscelatori statici,
tramite tecniche sperimentali avanzate (Particle Image Velocimetry, PIV, Electrical Resistance
Tomography, ERT) e codici di calcolo CFD.
La fluidodinamica degli apparati dotati di agitatori meccanici gioca un ruolo assai importante nel
determinarne il comportamento. Limitando l’attenzione ai sistemi solido-liquido e gas-liquido,
tra i vari aspetti di interesse possono essere indicati: individuazione delle condizioni di
agitazione minima, distribuzione del solido nella sospensione agitata, dispersione del gas
nell’intero apparato, realizzazione di elevata superficie di scambio di materia, consumo
energetico, ecc. Tali aspetti hanno comune base fisica nelle interazioni particella-liquido,
particella-particella e particella-superficie per i sistemi solido-liquido e nell’interazione bollaliquido e bolla-bolla per i sistemi gas-liquido e sono oggetto di studio da parte di vari gruppi di
ricerca in tutto il mondo. Come sopra indicato, il livello delle conoscenze ottenute è tutt’altro
che completo e non può ancora essere utilizzato a fini progettuali con sufficiente affidabilità,
soprattutto nel caso di sistemi densi [1,2].
Il programma di ricerca che qui si propone ha per oggetto la caratterizzazione fluidodinamica e
la relativa modellazione di apparati di interesse per l’industria chimica e di processo,
limitatamente a sistemi solido-liquido e gas-liquido. Per entrambi i sistemi, l'obiettivo è di
individuare migliori strumenti di previsione del complesso comportamento fluidodinamico delle
fasi interessate. In particolare, si intende da un lato approfondire la comprensione
dell’interazione della fase dispersa con quella continua (turbolenta) nel caso di sistemi densi,
dall’altro tradurre tale conoscenza in criteri di progettazione e di scale-up, nonché in strumenti di
migliore gestione del processo. Quali tipologie di apparati, verranno considerati prevalentemente
recipienti agitati meccanicamente e miscelatori statici, provvisti sistemi di agitazione sia classici
che innovativi.
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Per i sistemi solido-liquido – per il cui studio è previsto un impegno temporale maggiore – si
intende approfondire l’analisi fisica dei meccanismi che determinano la distribuzione del solido
e sviluppare la modellazione con tecniche CFD. E’ anche prevista una significativa parte
sperimentale, volta a una migliore validazione dei modelli e dei codici di simulazione, nonché
delle procedure di scale-up.
L’analisi dei sistemi bifase verrà preceduta dall’analisi degli apparati operanti in condizioni
monofase, per isolare i problemi di modellazione fisica da quelli di approssimazione numerica
associati ai codici di calcolo.
Piano di Attività
Il programma di formazione proposto per realizzare quanto indicato al punto precedente è così
articolato:
1° trimestre:
Messa a punto della tecnica PIV e misura del campo di velocità del liquido di apparati
selezionati. Definizione del dominio di calcolo associato alle apparecchiature oggetto di indagine
sperimentale. Simulazioni CFD del campo di moto per sistemi monofase.
2° trimestre:
Messa a punto degli apparati per la misura della concentrazione di solido basata sull’impiego
della tecnica ERT Campagne di misura della concentrazione locale di solido e simulazioni CFD
di sistemi solido-liquido a concentrazione medio-alta.
3° semestre:
Misure ERT e simulazioni CFD della distribuzione di solido in sistemi solido-liquido con liquidi
non-Newtoniani; tentativo di validazione dei modelli di interazione particella-turbolenza; misure
di tempo di miscelazione (della fase liquida) in sistemi bifase agitati.
4° trimestre:
Approfondimento delle metodologie di simulazione CFD di sistemi solido-liquido e gas-liquido
agitati densi e avvio dell’analisi sperimentale di alcuni comportamenti relativi ai sistemi trifasici.
Bibliografia
[1] Dudukovic, M.P., 2002. Opaque multiphase flows: Experiments and modelling.
Experimental Thermal and Fluid Science, 26, 747-761.
[2] Balachandar, S., Eaton, J.K., 2010. Turbulent dispersed multiphase flow. Annual Review of
Fluid Mechanics 42, 111-133.
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