Analisi fluidodinamica di reattori utilizzati per la produzione di biogas

Il lavoro riguarda la caratterizzazione fluidodinamica di un reattore agitato meccanicamente utilizzato per la produzione di biogas. Lo studio è stato possibile attraverso l’impiego della PIV (Particle Image Velocimetry), tecnica di diagnostica ottica non invasiva adatta a fornire misure quantitative dei campi di velocità delle fasi all’interno del reattore. La caratterizzazione è stata preceduta da una fase di messa a punto della tecnica, in modo da definire principalmente l’influenza dello spessore del fascio laser e dell’intervallo di tempo tra gli impulsi laser sui campi di moto ottenuti. In seguito, il reattore è stato esaminato in due configurazioni: con albero in posizione centrata e con albero in posizione eccentrica. Entrambe le geometrie sono state inoltre analizzate in condizione monofase e solido-liquido. Le prove in monofase con albero centrato hanno permesso di identificare un particolare regime transitorio del fluido nei primi minuti dopo la messa in funzione del sistema di agitazione, caratterizzato da una buona efficienza di miscelazione in tutta la sezione di analisi. In condizioni di regime stazionario, dopo circa 1 ora di agitazione, è stato invece osservato che il fluido nella zona vicino alla parete è essenzialmente stagnante. Sempre con albero centrato, le acquisizioni in condizione bifase hanno permesso di osservare la forte influenza che la presenza di particelle di solido ha sui campi di moto della fase liquida. Per l’assetto con albero in posizione eccentrica, in condizione monofase e regime di moto stazionario, è stata evidenziata una significativa influenza del livello di liquido all’interno del reattore sui campi di moto ottenuti: aumentando il livello scalato rispetto a quello usato nella pratica industriale è stato osservato un miglioramento dell’efficienza di miscelazione grazie al maggior lavoro svolto dal sistema di agitazione. In questa configurazione, inoltre, è stato effettuato un confronto tra i campi di moto indotti da due tipologie di giranti aventi stesso diametro, ma diversa geometria. Passando alla condizione bifase con albero eccentrico, i risultati hanno evidenziato la forte asimmetria del reattore: è stato evidenziato, infatti, come il sistema raggiunga regimi stazionari differenti a seconda delle velocità di rotazione e delle condizioni adottate per il raggiungimento della stabilità. Grazie alle prove su piani orizzontali del reattore in configurazione eccentrica e condizioni bifase, è stato concluso che i sistemi in uso inducano un campo di moto prettamente tangenziale, non ottimizzato però per la sospensione della fase solida necessaria in questa tipologia di processi.

Analisi fluidodinamica di piastre concamerate costituenti una filtropressa

Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di indagare la fluidodinamica all’interna di un modello di una camera di una filtropressa. L’analisi del comportamento fluidodinamico all’interno delle filtropresse viene svolta al fine di comprendere meglio alcune problematiche relative alla gestione del processo. In particolare si è tentato di individuare le cause che inducono: 1.Rottura prematura delle tele, in particolar modo nelle camere iniziali; 2.Formazione di pannelli disomogenei che comporta complicazioni nei successivi processi (lavaggio, essiccamento, etc.). Tale studio è consistito nella determinazione e nell’analisi del campo di moto di una fase liquida all’interno di suddetta camera. I campi di moto sono stati acquisiti tramite la tecnica PIV (Particle Image Velocimetry).

Experimental determination of burning velocity in metal dust explosions

The modeling of metal dust explosion phenomenon is important in order to safeguard industries from potential accidents. A key parameter of these models is the burning velocity, which represents the consumption rate of the reactants by the flame front, during the combustion process. This work is focused on the experimental determination of aluminium burning velocity, through an alternative method, called "Direct method". The study of the methods used and the results obtained is preceded by a general analysis on dust explosion phenomenon, flame propagation phenomenon, characteristics of the metals combustion process and standard methods for determining the burning velocity. The “Direct method” requires a flame propagating through a tube recorded by high-speed cameras. Thus, the flame propagation test is carried out inside a vertical prototype made of glass. The study considers two optical technique: the direct visualization of the light emitted by the flame and the Particle Image Velocimetry (PIV) technique. These techniques were used simultaneously and allow the determination of two velocities: the flame propagation velocity and the flow velocity of the unburnt mixture. Since the burning velocity is defined by these two quantities, its direct determination is done by substracting the flow velocity of the fresh mixture from the flame propagation velocity. The results obtained by this direct determination, are approximated by a linear curve and different non-linear curves, which show a fluctuating behaviour of burning velocity. Furthermore, the burning velocity is strongly affected by turbulence. Turbulence intensity can be evaluated from PIV technique data. A comparison between burning velocity and turbulence intensity highlighted that both have a similar trend.

Caratterizzazione fluidodinamica di un digestore anaerobico modello tramite tecniche di diagnostica ottica

L’aumento del consumo di energia globale e le problematiche legate all’inquinamento stanno rendendo indispensabile lo spostamento verso fonti di energia rinnovabile. La digestione anaerobica rappresenta una possibile soluzione in quanto permette di produrre biogas da biomassa organica di scarto ma, l’ottimizzazione del processo risulta difficoltosa a causa delle numerose variabili chimiche, biologiche, fisiche e geometriche correlate. Nel presente elaborato, concentrandosi sulle problematiche relative alla miscelazione interna, è stata investigata la fluidodinamica interna di un reattore modello ottenuto tramite scale-down di un digestore anaerobico industriale che presentava problemi di sedimentazione di sostanza solida sul fondo del reattore. Tramite tecniche di diagnostica ottiche, è stato studiato il movimento del fluido, prima utilizzando acqua demineralizzata e poi una soluzione di gomma di xantano come fluido di processo, al fine di studiare il campo di moto medio interno al reattore. Le tecniche utilizzate sono la Particle Image Velocimetry (PIV) e la Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF). Al fine di rendere il sistema investigato il più rappresentativo possibile del digestore industriale, è stato utilizzato come fluido di processo per alcune delle prove raccolte, una soluzione acquosa 1,0g/kg di gomma di xantano, le cui proprietà reologiche sono state investigate grazie ad un Reometro Anton Paar MCR 301.

Caratterizzazione fluidodinamica di reattori agitati meccanicamente tramite tecniche di diagnostica ottica: effetto del comportamento reologico delle fasi.

Il lavoro di tesi si è posto l'obiettivo di studiare il comportamento fluidodinamico di un reattore agitato meccanicamente, scale-down di un digestore anaerobico per la produzione di biogas, attraverso tecniche di diagnostica ottica. Le tecniche utilizzate sono state la Particle Image Velocimetry, PIV, e la Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF. Le prove sono iniziate utilizzando acqua all’interno del reattore e sono proseguite utilizzando una soluzione di acqua e Carbometilcellulosa (CMC) a concentrazione di CMC progressivamente crescente per aumentare la viscosità apparente della soluzione non newtoniana con lo scopo di simulare il più realisticamente possibile la viscosità del contenuto reale del digestore. Tutte le diverse soluzioni sono state indagate per diverse velocità e diversi sensi di rotazione. Le prove di diagnostica ottica sono state progressivamente affiancate da prove al reometro di campioni di soluzione per il calcolo della viscosità apparente. La PIV ha fornito la misura del campo di moto di un piano, è stato scelto di analizzare un piano verticale. Il metodo di diagnostica ottica ho previsto l’utilizzo di quattro componenti: una sezione per il test otticamente trasparente contenente la soluzione inseminata con piccole particelle di tracciante (particelle di argento e vetro cavo) che seguono il flusso, una sorgente di illuminazione pulsata (laser), un dispositivo di registrazione (una telecamera digitale ad alta definizione) ed un software per la cross-correlazione delle immagini acquisite (DynamicStudio). La PLIF è stata implementata per lo studio del tempo caratteristico di miscelazione nel reattore. La strumentazione utilizzata è stata la stessa della PIV con un tracciante diverso a base di Rodhamina-6G. Lo studio ha riguardato il tempo necessario all’omogeneizzazione del tracciante mediante un’analisi del coefficiente di variazione, CoV, delle immagini acquisite.

Experimental analysis of the aerodynamic and mixing performance of a ventilation device

Numerous types of acute respiratory failure are routinely treated using non-invasive ventilatory support (NIV). Its efficacy is well documented: NIV lowers intubation and death rates in various respiratory disorders. It can be delivered by means of face masks or head helmets. Currently the scientific community’s interest about NIV helmets is mostly focused on optimising the mixing between CO2 and clean air and on improving patient comfort. To this end, fluid dynamic analysis plays a particularly important role and a two- pronged approach is frequently employed. While on one hand numerical simulations provide information about the entire flow field and different geometries, they exhibit require huge temporal and computational resources. Experiments on the other hand help to validate simulations and provide results with a much smaller time investment and thus remain at the core of research in fluid dynamics. The aim of this thesis work was to develop a flow bench and to utilise it for the analysis of NIV helmets. A flow test bench and an instrumented mannequin were successfully designed, produced and put into use. Experiments were performed to characterise the helmet interface in terms of pressure drop and flow rate drop over different inlet flow rates and outlet pressure set points. Velocity measurements by means of Particle Image Velocimetry were performed. Pressure drop and flow rate characteristics from experiments were contrasted with CFD data and sufficient agreement was observed between both numerical and experimental results. PIV studies permitted qualitative and quantitative comparisons with numerical simulation data and offered a clear picture of the internal flow behaviour, aiding the identification of coherent flow features.

Characterization Of Single Use Reactor Used For The Manufacturing Of Formulated Products Within The Pharmaceutical Industry

Mixing is a fundamental unit operation in the pharmaceutical industry to ensure consistent product quality across different batches. It is usually carried out in mechanically stirred tanks, with a large variety of designs according to the process requirements. A key aspect of pharmaceutical manufacturing is the extensive and meticulous cleaning of the vessels between runs to prevent the risk of contamination. Single-use reactors represent an increasing trend in the industry since they do not require cleaning and sterilization, reducing the need for utilities such as steam to sterilize equipment and the time between production batches. In contrast to traditional stainless steel vessels, single-use reactors consist of a plastic bag used as a vessel and disposed of after use. This thesis aims to characterize the fluid dynamics features and the mixing performance of a commercially available single-use reactor. The characterization employs a combination of various experimental techniques. The analysis starts with the visual observation of the liquid behavior inside the vessel, focusing on the vortex shape evolution at different impeller speeds. The power consumption is then measured using a torque meter to quantify the power number. Particle Image Velocimetry (PIV) is employed to investigate local fluid dynamics properties such as mean flow field and mean and rms velocity profiles. The same experimental setup of PIV is exploited for another optical measurement technique, the Planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF). The PLIF measurements complete the characterization of the reactor with the qualitative visualization of the turbulent flow and the quantitative assessment of the system performance through the mixing time. The results confirm good mixing performances for the single-use reactor over the investigated impeller speeds and reveal that the filling volume plays a significant role in the fluid dynamics of the system.