Analisi della fluidodinamica di miscele di polveri in letti fluidizzati

I letti fluidizzati sono largamente utilizzati in molti processi industriali, come ad esempio nell’ambito dell’industria farmaceutica, alimentare, in processi quali il catalytic cracking del petrolio, la combustione e la gassificazione di biomasse. Il successo dei processi a letto fluidizzato è da imputare alle loro eccellenti caratteristiche di trasferimento di massa e di calore. Sebbene siano piuttosto semplici nella loro concezione, le applicazioni dei processi a letto fluidizzato sono sempre in continua evoluzione, ciò è dovuto al fatto che le loro performances sono fortemente influenzate dalla variabilità delle condizioni operative, ma anche al fatto che non si è giunti alla completa comprensione dei meccanismi che governano i complessi fenomeni fluidodinamici dei letti fluidizzati.
Molte delle proprietà dei letti fluidizzati, come l’eccellente miscelazione dei solidi, da cui derivano le proprietà di trasferimento di calore e di massa, sono da mettere in relazione alla presenza delle bolle e sono dominate dal loro comportamento.
Nel campo della fluidizzazione gas-solido, le bolle, e tutte le proprietà che le riguardano, hanno un’importanza notevole per il ruolo essenziale che esse ricoprono nel comportamento fluidodinamico di questi sistemi. Questo è uno dei motivi per cui vengono condotti numerosi studi relativi alle bolle, in particolare alla loro formazione, evoluzione e proprietà che le caratterizzano.
Risulta anche evidente che la principale difficoltà nell’analizzare la qualità della fluidizzazione e la dinamica delle bolle è direttamente legata alla difficoltà di misurare o predire le proprietà fisiche e geometriche delle bolle di gas che risalgono attraverso un mezzo solido granulare.
Per questa ragione, il comportamento di miscele in regime di fluidizzazione bubbling è stato a fondo investigato nelle ultime decadi mediante diverse tecniche, (come ad esempio le tecniche a raggi X, le tecniche basate sull’uso di induttanze, impedenze e resistenze, le tecniche PIV e tante altre). In particolare le tecniche di Analisi di Immagine Digitale (DIAT) hanno mostrato un vantaggio significativo rispetto alle altre sia in termini di accuratezza dei risultati che di costi.
Inoltre, bisogna sottolineare che l’indagine relativa al comportamento delle bolle è stata svolta soprattutto per il caso di sistemi particellari mono-dispersi, mentre la maggior parte delle apparecchiature industriali operano con miscele di particelle. Prove sperimentali con particelle fluidizzate polidisperse sono attualmente al centro di indagini che si occupano del comportamento di miscelazione-segregazione delle miscele e della previsione delle transizioni dei regimi fluidodinamici. In pratica si assiste ad una carenza di conoscenze nelle analisi sperimentali di misure di bolle di sistemi polidispersi.
Oggetto di questo lavoro di tesi è stato, quindi, quello di effettuare mediante una procedura di analisi di immagine digitale, misurazioni delle dinamiche di bolle in un letto fluidizzato bi-disperso bollente al fine di ricavare parametri fondamentali per lo studio delle bolle, come l’evoluzione del diametro, la velocità di risalita, la distribuzione del loro numero, e molti altri. In particolare è stato analizzato il comportamento di una miscela costituita da particelle di uguale densità e diverso diametro fluidizzate con diverse velocità di gas in ingresso.
Vengono riportati di seguito gli argomenti che sono stati trattati nel seguente lavoro di tesi.
• Nel capitolo primo vengono riportate le generalità relative alla fluidizzazione di sistemi monodispersi. In particolare vengono descritti i regimi di fluidizzazione e le loro grandezze caratteristiche, viene discussa la classificazione delle particelle e l’importanza del regime di bubbling.
• Nel capitolo secondo vengono trattati i sistemi polidispersi. I meccanismi di mixing e segregazione vengono analizzati per mezzo della distinzione tra size segregating system e density segregating system. Infine, viene riportato ciò che è presente in letteratura relativamente ai sistemi bi-dispersi in regime di bubbling, approfondendone aspetti caratteristici.
• Nel capitolo terzo viene effettuata una rassegna di letteratura relativamente alle tecniche di analisi di immagine utilizzate per lo studio dei letti fluidizzati. Dopo avere effettuato la distinzione tra tecniche di tipo intrusivo e tecniche di tipo estrusivo viene introdotta la tecnica utilizzata nel seguente lavoro di tesi.
• Nel capitolo quarto vengono descritti l’apparato sperimentale utilizzato per condurre le prove, i sistemi bi-dispersi analizzati e le modalità di conduzione delle prove.
• Nel capitolo quinto viene descritta più dettagliatamente la procedura utilizzata per il processamento delle immagini e viene presentata un’analisi critica dei risultati sperimentali ottenuti.