SIMULAZIONI CFD DEL CAMPO DI MOTO A BASSO NUMERO DI REYNOLDS IN BIOREATTORI AGITATI CON E SENZA SETTI FRANGIVORTICE

Abstract

I recipienti meccanicamente agitati sono apparecchiature frequenti dell’industria chimica di processo. Questi sono tipicamente dotati di setti frangivortice (recipienti baffled) atti a rompere il moto prettamente tangenziale tipico dei recipienti sprovvisti di setti (recipienti unbaffled) e convertirlo in moto assiale e radiale. La presenza dei setti evita inoltre nella zona centrale del sistema la formazione del vortice d’aria che può talvolta essere indesiderato o in taluni casi creare instabilità una volta arrivato alla girante. I recipienti unbaffled sono considerati quindi dei miscelatori meno efficienti rispetto a quelli provvisti di setti. Tali sistemi sono pertanto ad oggi impiegati esclusivamente in tutti quei casi industriali in cui la presenza dei baffles può risultare indesiderata per il processo considerato: ad esempio nei processi che soffrono di problemi di incrostazioni, o nei processi a basso numero di Reynolds dove si possono formare zone morte dietro i baffles. Studi recenti hanno dimostrato che, al contrario di quanto ritenuto sinora, i recipienti unbaffled possono risultare una più che valida alternativa ai recipienti baffled anche per processi convenzionali. In particolare è stato dimostrato che la potenza necessaria alla sospensione completa dei solidi particellari in una sospensione solido-liquido risulta nei sistemi unbaffled fino ad un ordine di grandezza più bassa rispetto a quella richiesta dal più utilizzato sistema baffled [1]. Inoltre è stato dimostrato che anche il mixing time, tipicamente più alto nei sistemi unbaffled, diventa praticamente identico a quello dei sistemi settati quando la profondità del vortice raggiunge la girante [2]. Vantaggi relativi all’uso dei sistemi non settati sono stati recentemente confermati anche a scala-industriale [3]. Alla luce di questi recenti studi, è diventato importante aumentare il grado di conoscenza di questi sistemi unbaffled, di cui ad oggi si sa veramente poco. In quest’ottica, la conoscenza dettagliata della fluidodinamica di questi sistemi può diventare un elemento importante per capire le ragioni che stanno alla base di quanto ottenuto sinora. Pertanto, obiettivo del presente lavoro è stato mettere a punto un modello basato su tecniche di fluidodinamica numerica (CFD) come strumento per la predizione del campo di moto dei sistemi unbaffled. In particolare, ci si è concentrati su un confronto tra sistemi baffled e unbaffled atto ad identificare meglio le differenze fluidodinamiche tra i due sistemi. Per ragioni di spazio il lavoro è limitato allo studio di casi a basso numero di Reynolds, dove tra l’altro, gli oneri computazionali sono compatibili con la realizzazione di simulazioni numeriche dirette (DNS). Naturalmente, lo studio ha previsto anche la raccolta di dati sperimentali per la validazione dei risultati CFD ottenuti.