RICERCA ITALIANA     

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 PALERMO - INGEGNERIA CHIMICA, DEI PROCESSI E DEI MATERIALI - PALERMO(PA)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Franco GRISAFI

Descrizione

L'attività di ricerca dell'unità di Palermo sarà focalizzata principalmente su due aspetti relativi ai reattori gas-liquido agitati. Il primo riguarda la conduzione di una indagine sperimentale volta alla determinazione di diversi parametri di funzionamento importanti di queste apparecchiature, quali il coefficiente di trasporto di materia gas-liquido, l'holdup di gas, il campo di moto e la potenza meccanica richiesta all'asse dell'agitatore. Il secondo obbiettivo della ricerca concerne aspetti di modellazione avanzata delle apparecchiature sperimentalmente investigate, con metodi basati sulla fluidodinamica numerica (CFD), traendo vantaggio dalle informazioni sperimentali acquisite per la validazione dei modelli considerati. In funzione di questo ultimo aspetto una parte della sforzo di ricerca sarà appunto dedicato alla ricerca di informazioni fondamentali sull'effetto che la turbolenza libera del fluido (non indotta cioè dal moto delle bolle) esercita sul coefficiente di resistenza delle bolle stesse, parametro di fondamentale importanza per una modellazione realistica delle interazioni liquido-bolla nelle simulazioni di reattori gas-liquido. Per quanto attiene alla configurazione geometrica dei reattori da indagare saranno considerate due diverse tipologie: un reattore di tipo standard (recipiente fornito di setti laterali frangivortice e agitato da una turbina radiale di tipo Rushton) e un reattore auto aspirante agitato da una multigirante.
La sperimentazione nello specifico sarà svolta secondo il seguente schema di dettaglio.

a) Saranno effettuate misure del coefficiente di trasporto di materia gas-liquido sia nel reattore a geometria standard (a1) che nel reattore autoaspirante (a2). Si intende adoperare una tecnica di misura basata sulla dinamica di saturazione della fase liquida mediante ossigeno puro. La sperimentazione sarà effettuata a partire sia da fase liquida in equilibrio con l'atmosfera (liquido aerato) che a partire da fase liquida de-aerata (con applicazione del vuoto prima di iniziare l'alimentazione di ossigeno puro).
Si noti che nel caso in cui la soluzione di partenza risulti disperata risulta semplificata l'interpretazione dei dati sperimentali in quanto non necessita ipotizzare alcun modello di miscelazione per la fase gassosa (costituita sempre dal gas praticamente puro) e quindi risulta anche costante la concentrazione del soluto nel liquido all'interfaccia con le bolle. Alcuni test preliminari condotti dall'unità di ricerca su di un sistema autoaspirante hanno inoltre evidenziato differenze rimarchevoli circa il valore del coefficiente di trasporto misurato a seconda dello stato di aerazione iniziale della fase liquida: infatti nel caso di fase liquida completamente deaerata i valori del kla sono risultati fino a cinque volte maggiori dei corrispondenti valori ottenuti, a parità di condizioni fluidodinamiche, a partire dalla fase in equilibrio con l'atmosfera. Risulta quindi di notevole interesse estendere l'indagine sperimentale anche ai sistemi agitati a geometria standard: se una così grande differenza venisse confermata anche in questo caso si avrebbero ricadute applicative notevoli sul dimensionamento dei reattori gas-liquido che adoperano fasi gassose pure.
Riguardo al comportamento della fase liquida saranno inoltre considerati sia liquidi coalescenti (acqua demineralizzata) che non.
Un ulteriore aspetto che si intende investigare riguarda inoltre l'effetto della presenza di particelle solide sospese sulla cinetica di trasporto di materia gas-liquido (a3), caso di rilevanza applicativa in tutte le reazioni effettuate in presenza di un catalizzatore solido in sospensione e in alcuni processi biotecnologici.

b) Sarà effettuata una modellazione fluidodinamica dei sistemi indagati nella fase a) mediante simulazione numerica CFD basata su una metodologia euleriana-euleriana di rappresentazione delle due fasi liquida e gassosa. L'uso di codici commerciali quali ANSYS-CFX e Adapco STAR-CD consentirà, in linea di principio, una maggiore esportabilità delle metodologie messe a punto anche in ambiti produttivi ove il ricorso a codici di calcolo non commerciali risulta di difficile applicabilità. Le simulazioni saranno effettuate ricorrendo ad una modellazione di tipo RANS della turbolenza, anche se sarà pure esplorata la possibilità di utilizzo di tecniche computazionalmente più onerose quali la Large Eddy Simulation (LES). Per quanto concerne la modellazione della fase gassosa saranno inizialmente considerati approcci semplificati (hold-up fisso e diametro di bolla costante) (b1) mentre successivamente si intende implementare approcci più accurati che tengano conto di fenomeni di coalescenza e rottura delle bolle oltre che della distribuzione di dimensione delle bolle stesse (b2). In particolare, nel punto (b2.1) riguardo alla distribuzione di dimensioni della fase dispersa si intende inizialmente considerare il modello "Multiple Size Group" (MUSIG) implementato nel codice Ansys-CFX, mentre modelli più complessi sebbene computazionalmente meno onerosi, basati sul trasporto dei momenti della distribuzione di dimensioni delle bolle ("Direct Quadrature Moments Method", DQMOM, [Marchisio et al, Chem.Eng.Sci.,58, 3337-3351, 2003]), saranno esaminati successivamente (b2.2). In questa fase si intende anche introdurre gli effetti indotti dalla turbolenza libera sul coefficiente di resistenza delle bolle al fine mediante opportune modifiche dello stesso, al fine di migliorare l'aderenza dei risultati delle simulazioni con i risultati sperimentali disponibili, come è stato fatto con successo con l'analoga modellazione di sistemi solido-liquido. A questo scopo si intende cercare di ottenere informazioni sperimentali dirette che possano essere utilizzate per la messa a punto di modelli fenomenologici da introdurre nelle simulazioni, unitamente agli spunti modellistici provenienti dall'unità di Bologna per quanto concerne la descrizione fenomenologica dei processi di coalescenza e rottura delle bolle. I risultati delle simulazioni saranno validati per confronto con i dati sperimentali ottenuti sia dall'unità di Palermo (punti c e d) che provenienti da altre unità (Bologna e Pisa) in termini di distribuzione della velocità della fase liquida e di quella gassosa, di hold-up di gas e di potenza meccanica dissipata. I risultati delle simulazioni saranno inoltre resi condivisi con l'unità di Roma per ulteriori analisi di tipo teorico.

c) Si intende effettuare una limitata sperimentazione strumentale di sistemi gas-liquido agitati al fine di ottenere dati originali per la validazione delle simulazioni di cui al punto (b). Saranno condotte misurazioni di tipo PIV del campo di moto della fase liquida (in presenza di gas) inseminata con particelle fluorescenti. Sarà inoltre necessario attenersi a bassi valori dell'hold-up gassoso, in modo da ridurre al minimo il disturbo causato dagli effetti di riflessione sulle bolle intrinsecamente correlati all'uso di una tecnica di misura di tipo ottico quale la PIV. Per questo motivo occorrerà limitare la velocità di agitazione nel caso dei sistemi auto aspiranti e le portate di gas immesso nel caso dei reattori standard.

d) Sarà effettuata una sperimentazione volta all'ottimizzazione delle prestazioni di un reattore agitato multigirante di tipo auto-aspirante di cui è già disponibile in prototipo nei nostri laboratori e sul quale si dispone già di dati preliminari. In particolare si intende agire modificando il tipo e/o la disposizione delle giranti al fine di esaltare le componenti assiali di velocità nel tubo di tiraggio. Lo scopo è quello di incrementare i valori sia dell'hold-up di gas che del coefficiente volumetrico di trasporto di materia kla a parità di potenza impegnata rispetto all'uso delle giranti attuali (di tipo a pale piatte inclinate). Le misure dell'hold-up saranno effettuate mediante osservazione visuale, mentre per la misura della potenza meccanica dissipata si procederà sia rilevando le rampe di incremento di temperatura che ricorrendo ad una tecnica adottata con successo in una precedente ricerca [Grisafi et al., Can. J. of Chem. Eng., 76, 446-455, 1998].

e) Si intende infine cercare di mettere a punto un apparato sperimentale che consenta di ottenere informazioni sperimentali dirette sull'effetto esercitato dalla turbolenza libera sul coefficiente di resistenza delle bolle. Alcune esperienze preliminari condotte su un'apparecchiatura di primo tentativo hanno fornito risultati parziali sull'oggetto dell'indagine e hanno evidenziato la necessità di modificare il sistema adottato. Sulla base di queste esperienze si intende procedere oltre nella sperimentazione al fine di migliorare sensibilmente il dispositivo di misura, in modo da renderlo idoneo allo scopo.


Piano di lavoro previsto:
Attività previste nel primo anno della ricerca:
1.1) indagine sulla cinetica di trasporto di materia gas-liquido nel reattore agitato standard mediante la tecnica dinamica con ossigeno puro a partire sia da condizioni aerate che disaerate della fase liquida;
1.2) indagine sulla cinetica di trasporto di materia gas-liquido nel reattore agitato autoaspirante mediante la tecnica dinamica con ossigeno puro a partire da condizioni aerate e disaerate della fase liquida;
1.3) modellazione CDF multifase con diametro di bolla assegnato, dei sistemi sperimentalmente indagati;
1.4) modellazione CDF multifase considerando la distribuzione delle dimensioni delle bolle con l'implementazione del bilancio di popolazione corredato di modelli di coalescenza e rottura;
1.5) indagine sperimentale mediante PIV circa il campo di moto della fase liquida e raccolta di informazioni sull'hold-up complessivo di gas nel recipiente a geometria standard;
1.6) indagine sperimentale mediante PIV circa il campo di moto della fase liquida e raccolta di informazioni sull'hold-up complessivo di gas nel recipiente autoaspirante;
1.7) misura della potenza meccanica richiesta sia per il sistema standard che per quello autoaspirante;
1.8) tentativo di messa a punto di un sistema sperimentale per la misura della velocità terminale delle bolle in fluidi dotati di turbolenza libera;

Attività previste nel secondo anno della ricerca:
2.1) Indagine sperimentale circa l'effetto della presenza di particelle solide sospese sul coefficiente di trasporto gas-liquido;
2.2) Ulteriore sviluppo della modellazione CFD multifase sulla base della validazione effettuata nel primo anno
2.3) Ottimizzazione del sistema autoaspirante mediante variazione del tipo di turbine e della loro dislocazione fisica
2.4) raccolta di informazioni sperimentali sull'influenza esercitata dalla turbolenza libera sul coefficiente di resistenza delle bolle e tentativo di pervenire ad una correlazione.