ITFR20100018A1 - Elementi a densita' variabile costituenti mezzi di riempimento per reattori di processo - Google Patents

Description

LEMENTI A DENSITA VARI ABILE COSTITUE MEZZI DI

RIEMPIMENTO PER REATTORI DI PROCESSO

INTRODUZIONE

Gli elementi a densità variabile sono concepiti per applicazioni quali mezzi di riempimento costituenti letti fissi, espansi o flottanti in reattori di processo.

STO DELLA TECNICA

Attualmente quali mezzi di riempimento per reattori di processo vengono impiegati elementi a densità fissa i quali, ovviamente, possono presentare densità superiore o inferiore rispetto al fluido all’interno del quale si trovano. Nei due casi esposti i mezzi di riempimento attuali si collocano rispettivamente;

• stabilmente sul fondo del reattore (immersi) nel primo caso

• sulla superficie del fluido (in galleggiamento) nel secondo caso.

INCONVENIENTI DELLE ATTUALI TECNOLOGIE

Le principali limitazioni riguardanti gli attuali mezzi di riempimento utilizzati nei reattori di processo sono relative alla scarsa o nulla flessibilità delle diverse soluzioni adottabili ed all'incidenza che altri parametri di processo determinano sulla efficacia delle soluzioni adottate.

In altre parole un reattore a letto fisso rimane tale, così come la fluidizzazione dello stesso è esclusivamente commisurata ad un valore minimo della velocità ascensionale del fluido da processare, senza che quest’ultima possa essere direttamente disconnessa dal tempo medio di residenza idraulica del fluido nel reattore. Nel caso in cui dunque siano richiesti tempi di permanenza diversi in relazione alle cinetiche di processo (trasferimento di ossigeno. metabolismo batterico, ecc.) gli attuali reattori con mezzi di riempimento convenzionali, non consentono un controllo differenziato dei parametri in gioco.

VANTAGGI DEI MEZZI DI RIEMPIMENTO A DENSITÀ VARIABILE

l principali vantaggi dei mezzi di riempimento a densità variabile consistono di ottenere una grande versatilità di funzionamento dei reattori di processo che possono, a seconda delle condizioni richieste, funzionare come reattori a letto fisso, a letto espanso ovvero flottante. Ciò determina quale conseguenza diretta l'opportunità di procedere agevolmente anche alla rapida pulizia del letto per. semplice variazione della pressione interna al reattore.

DESCRIZIONE E PRINCIPIO FUNZIONAMENTO

Al fine di illustrare il principio di funzionamento degli elementi a densità variabile costituenti un mezzo di riempimento da utilizzare come letti per reattori di processo, è necessario procedere ad una schematizzazione del problema che introduca una serie di ipotesi semplificati ve onde non rendere eccessivamente complessa la trattazione analitica.

Allo scopo si assuma che un singolo elemento costituente il mezzo risulti di forma sferica e caratterizzato da uno spessore 3⁄4 di materiale elastico dotato di peso dell' unità di volume /v, che a sua volta racchiuda all’ interno un fluido compressibile di densità yt, così come illustrato in Figura \(a). Si faccia inoltre l’ipotesi che la densità del materiale non vari sensibilmente, almeno nel campo di temperature e di pressione di interesse; diversamente, per il lluido contenuto all’ interno dell’elemento, la densità varia in funzione della temperatura e della pressione in accordo alla equazione dei gas perfetti, assumendo quali condizioni di riferimento una pressione ed<'>una temperatura rispettivamente pari a Po = 101325 kPa e To = 25°C = 293.15 K.

Se l’elemento in questione viene immesso in un recipiente aperto contenente un fluido non compressibile quale l’acqua, e se la temperatura c la pressione esterna sono ancora quelle, di riferimento di cui sopra, si potrà verificare il galleggiamento o meno dello stesso considerando la sussistenza della seguente relazione:

dove:

P = Peso dell’elemento, |N|;

S„ = Spinta di ARCHIMEDE \ [ N J.

Poiché il peso del corpo è pari alla somma del peso della corteccia sferica, Ps, e del peso del fluido, Pf,racchiuso in questa, per la geometria ipotizzata in precedenza si ha:

La densità media dell’elemento risulta dunque:

Indicato dunque con V,· il volume immerso dell’elemento, la spinta di Archimede vale:

da cui. per la Relazione ( I ):

e dunque:

Poiché il volume del segmento sferico risulta:

si avra:

da cui risulta possibile la determinazione per iterazioni successive del valore di ho, ovvero deH'approfondimenlo rispetto alla superficie libera dell’elemento in questione (Figura 1(a)).

Se ora il recipiente viene chiuso e la pressione al suo interno è incrementata di una quantità assegnata zl/<J>(Figura 2(h)), questa passerà al valore Pi = Pf)+/ÌP: al contempo, data l'elasticità del mantello dell'elemento, anche la pressione all’interno di questo si porterà al valore Ρι>Ρο , per cui dal ['equazione di stato dei gas perfetti il volume del gas compressibile si porterà al valore:

A detta riduzione di volume corrisponderà una riduzione del raggio interno Ri dell' elemento, che all'equilibrio risulterà:

Se dunque la densità del materiale costituente il mantello risulta come in ipotesi indipendente dalla pressione e dalla temperatura, poiché la massa de corpo risulta invariata, lo spessore che assumerà la corteccia risulta dalla seguente relazione:

da cui:

cui corrisponderà un incremento dello spessore, che passerà da ad s dato da:

A parità di peso dUnque, il nuovo diametro dell'elemento, determinerà un valore diverso dellapprofondimento, che passerà al valore h icavabile dalla:

In altri termini dunque una variazione positiva della pressione si riflette direttamente, per relemento di l<'>orma geometrica in esame, in un incremento della profondità di immersione. Il fatto che la profondità di immersione var in relazione all’ incremento di pressione, dipende dalla geometria del corpo per geometrie diverse si potrebbe assistere alla sola deformazione e riduzione del volume emerso dell’elemento senza che vari la profondità di immersione. A questa nuova condizione competerà un nuovo, ed in questo caso maggiore valore della densità media dellelemcnto dato da:

Risulta dunque facile verificare la situazione per cui, partendo da condizioni iniziali assegnate, l’elemento raggiunga una densità media limite e pari a quella del fluido in cui è immerso (nel caso deiracqua = 1 ). Poiché infatti questa situazione limite corrisponde alla completa incipiente immersione deli’intero elemento (Figura 2(c)) dovrà risultare:

ne segue che:

per cui dovendo essere:

si ricava:

e dunque:

ed il valore della corrispondente pressione esterna risulta dunque;

ovvero:

cui corrisponde un valore incrementale della pressione:

Da questo momento in poi, ogni ulteriore incremento della pressione all’interno del contenitore dà luogo a valori della densità media dell’elemento superiori a quella del fluido in cui è immerso, sicché il corpo inizia a sedimentare all'interno del fluido con velocità limile di sedimentazione esprimibile a mezzo dell'equazione di Newton o di Stockes , così come illustrato in Figura 2(d).

CARATTERISTICHE GEOMETRICHE E FISICO - CHIMICHE DEGLI ELEMENTI A

DENSITÀ VARIABILE COSTITUENTI IL MEZZO DI RIEMPIMENTO

Le caratteristiche geometriche e fisico - chimiche dei singoli elementi costituenti il mezzo di riempimento incidono profondamente sul comportamento del letto di riempimento dei reattori di processo. Il comportamento descritto nel caso semplice di una sfera, può essere diversamente ottenuto per accoppiamento di più materiali con caratteristiche diverse, assegnando ad ognuno di questi una specifica funzione.

Anche in questo caso, a scopo di illustrare i concetti sopra esposti, si può ipotizzare un elemento di forma cilindrica costituito da due facce (quella superiore ed inferiore) realizzale con un materiale di densità costante γ„, e spessore Λ· e con superficie laterale costituita da un materiale deformabile, impermeabile e di peso trascurabile, così come illustrato in Figura 2(a).

In tal caso il peso dell’elemento risulta:

Per cui la profondità di immersione ho si ricava dalla Relazione ( 1 ), ovvero:

da cui:

Si osserva dunque che in tal caso per incremento della pressione esterna la profondità di immersione non varia, mentre diminuisce, ai crescere della pressione, ia parte emersa (Figura 2(h)).

In tal modo la condizione di incipiente immersione (Figura 2(r))si ottiene non appena l’altezza complessiva Ho si porta al valore H, = ho ; in questa situazione, il volume del fluido interno all’elemento risulta:

(16)

cui corrisponde un valore della pressione esterna pari a:

( 17)

Superato detto valore della pressione, l’elemento cominccrà a sedimentare entro il fluido di immersione con caratteristiche diverse in relazione proprio alla forma, al volume che compete allo stesso ed alla sua densità media (Figura 2(d)).

Si può verificare anche in tal caso come in condizioni di incipiente immersione, la densità media dell'elemento risulti pari a quella del fluido, infatti:

( 18)

Potranno dunque essere realizzale infinite forme degli elementi a densità variabile costiluenti un mezzo di riempimento per reattori di processo, per. unione di elementi con forme geometriche, densità e proprietà elastiche differenti.

CONCLUSIONI

I mezzi di riempimento a densità variabile per reattori di processo presentano molteplici vantaggi potendosi variare, anche in continuo, la loro posizione airinterno del reattore semplicemente variando la pressione del sistema ed istituendo, ad esempio, cicli di salita/discesa in continuo dei mezzi consentendo lo sviluppo in continuo del processo. ‘ .

II trovato potrà essere modificato mantenendo il concetto inventivo che ne è alla base, polendosi sostituire ogni dettaglio con altro tecnicamente equivalente.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. Gli elementi costituenti mezzi di riempimento di reattori di processo presentano un valore della densità media globale che risulta funzione principalmente della temperatura e della pressione del sistema; 2. gli elementi costituenti mezzi di riempimento di reattori di processo a densità media variabile possono acquisire una densità superiore o inferiore a quella del fluido da processare attraverso la variazione della densità media globale ottenibile per variazione dei parametri operativi del processo; 3. gli elementi costituenti mezzi di riempimento di reattori di processo a densità media variabile possono mutare le caratteristiche anche a mezzo dell’ accoppi amento di più materiali con caratteristiche di spessori, forme, densità e proprietà meccaniche diversi; 4. gli elementi costituenti mezzi di riempimento di reattori di processo a densità media variabile possono presentare caratteristiche di sedimentabilità (velocità limite di sedimentazione) dipendenti dalla forma e dalla dimensione di ciascuno di essi; 5. gli elementi a densità media variabile possono essere utilizzati per realizzare (a) letti fissi, (b) letti espansi e (c) letti flottanti per reattori chimici, fìsici e biologici di processo; 6. gli elementi a densità media variabile possono essere utilizzati quale supporto per processi di trattamento biologico a biomassa adesa delle aeque di rifiuto, delle acque di approvvigionamento e di reflui liquidi c/o gassosi di qualunque natura e caratteristiche; 7. gli elementi a densità media variabile possono essere utilizzati per trattamenti di filtrazione meccanica c/o di biofiltrazione nei processi di trattamento delle acque e di fluidi comunque inquinati.