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INIZIO_TESTO_DA_INDICIZZARE

UNITA' DI RICERCA

italiano - english
Bibliografia
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Programma di ricerca

Modellazione avanzata e validazione sperimentale di dettaglio della fluidodinamica di reattori gas-liquido agitati per processi chimici e biotecnologici
Università di riferimento
Università degli Studi di BOLOGNA - INGEGNERIA CHIMICA, MINERARIA E DELLE TECNOLOGIE AMBIENTALI - BOLOGNA(BO)
Responsabile dell'Unità di ricerca
Franco MAGELLI
Descrizione
Scopo del progetto di ricerca complessivo è la modellazione dei processi di miscelazione in reattori gas-liquido agitati meccanicamente. Obiettivo è la messa a punto di più affidabili strategie di previsione del comportamento fluidodinamico, da impiegarsi anche per la progettazione di tali apparati. L'attività di questa Unità di Ricerca sarà di tipo numerico e sperimentale. Le simulazioni verranno realizzate con tecniche di fluidodinamica numerica (Computational Fluid Dynamics, CFD). La configurazione di riferimento è quella di apparati agitati con giranti multiple, caratterizzati da un comportamento fluidodinamico non ideale che consente di amplificare le differenze di concentrazione e di distribuzione di holdup lungo l'asse verticale. Saranno considerate condizioni operative semicontinue.
Il programma sarà incentrato sui tre seguenti filoni, articolati in linee e fasi meglio specificati di seguito.
(a) Simulazioni CFD e validazione dei risultati con dati sperimentali.
(b) Indagine sperimentale sulle macroinstabilità nei reattori gas-liquido agitati.
(c) Analisi del comportamento fluidodinamico complessivo e delle sue implicazioni su alcuni aspetti legati alla prestazione dei reattori.

La tematica (a) è l'obiettivo principale del progetto e può essere suddivisa in tre fasi.
(a1) Le simulazioni CFD dei sistemi gas-liquido saranno realizzate secondo lo schema euleriano-euleriano. Si cercherà di sviluppare anche simulazioni con la tecnica della ‘large eddy simulation' (LES). Saranno considerati due tipi di agitatori, vale a dire due e tre turbine Rushton e due turbine PBT (operanti secondo la modalità di pompaggio verso il basso e verso l'alto). Saranno utilizzati codici CFD commerciali, implementati con modelli di coalescenza/rottura delle bolle e con coefficienti di trascinamento delle bolle maggiorati rispetto ai valori standard (relativa a liquidi in quiete) a causa della presenza della turbolenza. Si osserva che tale ultimo approccio si è rivelato assai efficace nella previsione della distribuzione di solido in apparati agitati (ved.: Montante et al., Chem. Eng. Res. Des., 79, 1005, 2001; Montante & Magelli, Int. J. CFD, in corso di stampa, 2005) e ci si attende che possa migliorare anche la bontà delle simulazioni dei sistemi gas-liquido. I risultati delle simulazioni verranno analizzati da diversi punti di vista: (i) il campo di moto del liquido e la distribuzione delle velocità delle bolle, (ii) la distribuzione spaziale dell'hold-up e locale della dimensione delle bolle, (iii) il procedere dell'omogenizzazione del liquido in presenza del gas a seguito di un disturbo di concentrazione localizzato.
(a2) Un primo ambito dell'attività sperimentale, funzionale alla validazione delle simulazioni, comprenderà: (i) determinazioni con la tecnica PIV (Particle Image Velocimetry) del campo di moto del liquido (in presenza del gas) e delle bolle di gas, (ii) misure PIV dell'holdup di gas locale, (iii) misure del transitorio di concentrazione che si ha nel liquido a seguito di un disturbo impulsivo di un tracciatore (curve di "tempi di miscelazione"). Gli esperimenti saranno realizzati con sistemi coalescenti e non coalescenti in un reattore del diametro T=0,23m agitato con due o tre turbine Rushton e PBT (a pale inclinate) al fine di produrre dati da utilizzare per la validazione delle simulazioni. La portata di gas sarà limitata a bassi valori, per i vincoli imposti dalla tecnica ottica. Per il punto (iii) verrà adottata una tecnica conduttometrica in cui la presenza del gas non influenza la misura (Pinelli et al., Chem. Eng. Technol., 24, 919, 2001).
(a3) Per la validazione delle strategie modellistiche sviluppate secondo quanto indicato in (a1) verranno effettuati confronti con dati sperimentali, ed in particolare: i dati ottenuti in (a2,i,ii) con la tecnica PIV e gli analoghi dati ottenuti dall'Unità di Pisa con la tecnica LDA/PDA per condizioni di bassa aerazione, nonché i dati raccolti dall'Unità di Pisa con l'impedenzimetro (Brunazzi et al., Can. J. Chem. Eng., 80, 688, 2002) per le condizioni di aerazione medio-alta. I dati ottenuti secondo la linea (a2,iii) saranno impiegati per estendere ai sistemi gas-liquido l'analisi sull'omogeneizzazione di liquidi condotta in sistemi monofasici (Montante et al., Chem. Eng. Sci., 60, 2427, 2005; Magelli & Montante, Chem. Eng. Res. Des., 82, 1179, 2004).
(b) Sarà indagata la possibile presenza e le caratteristiche delle macroinstabilità nei sistemi gas-liquido agitati per estendere l'analisi già sviluppata per sistemi monofasici e solido-liquido (Paglianti et al., submitted, 2004). Allo scopo sarà adottata la nuova tecnica basata sull'impiego di sensori di pressione. Le condizioni operative saranno concertate con l'Unità di Pisa (che impiegherà tecnica sperimentale diversa) al fine di validare i risultati e di estendere l'analisi ad un ampio campo di configurazioni geometriche. I risultati sanno poi confrontati con la teoria messa a punto dall'Unità di Roma.
(c1) Sarà studiato l'effetto dell'agitazione meccanica sulla disattivazione di enzimi (es.: lipasi), al fine di verificare le relazioni causali proposte in letteratura. Si cercherà di correlare tali risultati con vari parametri fluidodinamici (shear rate media e massima, sforzi normali turbolenti, ecc.) calcolati con tecniche CFD.
(c2) Si indagherà sulla duplice influenza della tecnica sperimentale e della schematizzazione fluidodinamica adottate circa il valore del coefficiente volumetrico di trasporto di materia. Verranno prese in considerazione varie tecniche (dinamiche e stazionarie) e semplici modelli fenomenologici. Gli esperimenti saranno condotti in reattori agitati con giranti multiple (Rushton, BT-6, A315).
(c3) Saranno analizzate e valutate strategie di selezione delle condizioni di agitazione e di configurazione geometrica ottimali, applicando il cosiddetto OTE (Bouaifi & Roustan, Can. J. Chem. Eng., 76, 390, 1998) o sue varianti ai dati sperimentali determinati secondo (c2) e dall'Unità di Pisa.

Sono già nella disponibilità dell'U.O. le seguenti attrezzature: un reattore in Perspex del diametro T=0,23m e rapporto di snellezza H/T=2 e due reattori T=0,48m e H/T=3 (per valutare gli effetti di scala), varie serie di agitatori, un sistema PIV (con due telecamere), misuratore di DO per le misure dinamiche di KLa, conducimetri, apparecchiature ancillari e di servizio.

PIANO DI LAVORO:
Il primo anno sarà dedicato alle seguenti attività:
1.1 definizione di uno o più casi test;
1.2 implementazione di un codice CFD multifase standard con assegnate distribuzioni dimensionali di bolle (BSD);
1.3 caratterizzazione sperimentale del campo di moto e della velocità delle bolle (con tecnica PIV);
1.4 caratterizzazione dell'holdup locale (con tecnica PIV);
1.5 analisi dei risultati delle simulazioni preliminari alla luce di quanto indicato ai punti (a2,i) e (a2,ii);
1.6 determinazione dell'inattivazione di enzimi in un reattore agitato (in assenza e presenza di gas);
1.7 analisi sistematica dell'entità del trasporto di materia in funzione della tecnica di misura del coefficiente volumetrico e del modello fluidodinamico.

Il secondo anno sarà dedicato alle seguenti attività:
2.1 analisi sperimentale della BDS per casi test;
2.2 realizzazione e valutazione delle simulazioni in termini di BSD;
2.3 come 1.2, con modelli di coalescenza/rottura delle bolle;
2.4 determinazione di curve di tempo di miscelazione in posizioni selezionate (in presenza della fase gassosa) e confronto con le simulazioni;
2.5 definizione di ulteriori casi test e realizzazione delle simulazioni e degli esperimenti;
2.6 determinazione dei parametri fluidodinamici per la valutazione dei test di disattivazione degli enzimi;
2.7 valutazione di strategie e parametri di ottimizzazione delle condizioni operative e della configurazione del reattore per il trasporto di materia.