L'influenza della temperatura sulle proprietà delle fasi di letti fluidizzati di solidi diversi
Autore
Alessandra Papaianni - Università degli Studi della Calabria - [2001-02]
Documenti
Abstract
Sono molte le apparecchiature che, nell’industria chimica e di processo, realizzano trattamenti fisici o reazioni chimiche basate sull’impiego di sistemi multifase. Nel campo più ristretto delle operazioni gas solido, quelle che utilizzano la tecnologia di fluidizzazione del letto di particelle hanno stimolato, sin dal loro primo sviluppo, un grande interesse di ricerca.
Questa attenzione è motivata, da una parte, dal fatto che molti di questi processi prevedono unità di grande scala quali reattori di cracking degli idrocarburi, caldaie per la produzione di energia elettrica, gasificatori di carbone o di biomasse, etc.; dall’altra, essa è sollecitata dal fatto che le conoscenze sinora prodotte sul funzionamento di questi sistemi, la cui dinamica è particolarmente complessa, hanno ancora oggi un carattere fortemente empirico, non sufficiente, perciò, a garantire l’esercizio ottimale degli impianti. Per entrambi questi motivi, ogni sostanziale passo avanti sul terreno della ricerca è destinato a produrre forti economie e possibilità d’applicazione della tecnologia in nuove direzioni.
E’ comunque sorprendente, se si considera che l’operazione a letto fluido è apparsa da subito particolarmente adatta ai processi caratterizzati da forti effetti termici, constatare quanto poco si sappia, ancora oggi, sulle sue caratteristiche in condizioni di alta temperatura. In questo settore, infatti, i modelli fluidodinamici sono stati per decenni basati su dati sperimentali prodotti per lo più in apparecchiature di piccola scala operanti a condizioni ambiente, ed è solo negli ultimi dieci anni che gli studi sull’influenza della temperatura operativa sulle proprietà generali del sistema “letto fluidizzato” hanno trovato la giusta attenzione.
Come verrà illustrato in questa tesi, si è ritenuto per molto tempo che per trasferire alle condizioni di media o alta temperatura (praticamente fino al limite degli 800°C) le previsioni della modellistica di fluidizzazione fosse sufficiente tener conto degli effetti che tale parametro induce nelle proprietà del gas di fluidizzazione, e cioè, in buona sostanza, delle variazioni della densità e della viscosità. Questa impostazione non consentiva però di trovare spiegazioni adeguate a una serie di fenomeni evidenziati con chiarezza dalla sperimentazione, quali, per esempio, l’aumento del grado di vuoto del letto di particelle e la variazione della velocità (in diminuzione o in aumento) nella condizione di incipiente fluidizzazione.
In questo quadro, un contributo importante al superamento di questo limite, con la dimostrazione del fatto che la temperatura operativa condiziona notevolmente anche le proprietà dei solidi, è venuto dagli studi effettuati negli ultimi anni presso l’Università della Calabria, di cui questo lavoro rappresenta l’ultimo sviluppo.
Attraverso di essi si è infatti chiarito che l’innalzamento della temperatura del processo oltre il livello ambiente ha come conseguenza la crescita di intensità delle forze interparticellari di Van der Waals all’interno della fase particellare, effetto che è alla base dell’aumento del grado di vuoto. Ciò ha consentito di ripristinare il potere predittivo delle equazioni teoriche per il calcolo della velocità minima di fluidizzazione, valide anche ad alta temperatura purché la frazione di vuoto del sistema sia assunta come funzione della temperatura stessa. In continuità col lavoro svolto negli ultimi anni, la presente tesi si propone di analizzare l’influenza della temperatura di processo sulla costituzione e sull’interazione delle due fasi di cui è formato un letto di solidi fluidizzato nel regime a bolle. L’impossibilità di condurre il lavoro sperimentale mediante sonde e sensori elettronici immersi nel letto di solidi, il cui uso è proibito dalle condizioni termiche, ha reso necessario il perfezionamento di alcune procedure basate su tecniche ottiche non intrusive. Lo sviluppo di queste tecniche costituisce anch’esso un risultato di ricerca non trascurabile.
Questa attenzione è motivata, da una parte, dal fatto che molti di questi processi prevedono unità di grande scala quali reattori di cracking degli idrocarburi, caldaie per la produzione di energia elettrica, gasificatori di carbone o di biomasse, etc.; dall’altra, essa è sollecitata dal fatto che le conoscenze sinora prodotte sul funzionamento di questi sistemi, la cui dinamica è particolarmente complessa, hanno ancora oggi un carattere fortemente empirico, non sufficiente, perciò, a garantire l’esercizio ottimale degli impianti. Per entrambi questi motivi, ogni sostanziale passo avanti sul terreno della ricerca è destinato a produrre forti economie e possibilità d’applicazione della tecnologia in nuove direzioni.
E’ comunque sorprendente, se si considera che l’operazione a letto fluido è apparsa da subito particolarmente adatta ai processi caratterizzati da forti effetti termici, constatare quanto poco si sappia, ancora oggi, sulle sue caratteristiche in condizioni di alta temperatura. In questo settore, infatti, i modelli fluidodinamici sono stati per decenni basati su dati sperimentali prodotti per lo più in apparecchiature di piccola scala operanti a condizioni ambiente, ed è solo negli ultimi dieci anni che gli studi sull’influenza della temperatura operativa sulle proprietà generali del sistema “letto fluidizzato” hanno trovato la giusta attenzione.
Come verrà illustrato in questa tesi, si è ritenuto per molto tempo che per trasferire alle condizioni di media o alta temperatura (praticamente fino al limite degli 800°C) le previsioni della modellistica di fluidizzazione fosse sufficiente tener conto degli effetti che tale parametro induce nelle proprietà del gas di fluidizzazione, e cioè, in buona sostanza, delle variazioni della densità e della viscosità. Questa impostazione non consentiva però di trovare spiegazioni adeguate a una serie di fenomeni evidenziati con chiarezza dalla sperimentazione, quali, per esempio, l’aumento del grado di vuoto del letto di particelle e la variazione della velocità (in diminuzione o in aumento) nella condizione di incipiente fluidizzazione.
In questo quadro, un contributo importante al superamento di questo limite, con la dimostrazione del fatto che la temperatura operativa condiziona notevolmente anche le proprietà dei solidi, è venuto dagli studi effettuati negli ultimi anni presso l’Università della Calabria, di cui questo lavoro rappresenta l’ultimo sviluppo.
Attraverso di essi si è infatti chiarito che l’innalzamento della temperatura del processo oltre il livello ambiente ha come conseguenza la crescita di intensità delle forze interparticellari di Van der Waals all’interno della fase particellare, effetto che è alla base dell’aumento del grado di vuoto. Ciò ha consentito di ripristinare il potere predittivo delle equazioni teoriche per il calcolo della velocità minima di fluidizzazione, valide anche ad alta temperatura purché la frazione di vuoto del sistema sia assunta come funzione della temperatura stessa. In continuità col lavoro svolto negli ultimi anni, la presente tesi si propone di analizzare l’influenza della temperatura di processo sulla costituzione e sull’interazione delle due fasi di cui è formato un letto di solidi fluidizzato nel regime a bolle. L’impossibilità di condurre il lavoro sperimentale mediante sonde e sensori elettronici immersi nel letto di solidi, il cui uso è proibito dalle condizioni termiche, ha reso necessario il perfezionamento di alcune procedure basate su tecniche ottiche non intrusive. Lo sviluppo di queste tecniche costituisce anch’esso un risultato di ricerca non trascurabile.
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