Utilizzo della tecnica di fluidodinamica computazionale per l'analisi del PACK

Jun 23, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 6588 (2022) Citare questo articolo

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In questo studio, un innovativo imballaggio strutturato in rete metallica, vale a dire PACK-1300XY con un'area superficiale specifica di 1300 m2/m3, è stato caratterizzato mediante l'esecuzione di un approccio fluidodinamico computazionale (CFD). Infatti, diverse caratteristiche di questo impaccamento (altezza equivalente a una piastra teorica, caduta di pressione umido/secco ed efficienza di trasferimento di massa) sono state analizzate analizzando il regime di flusso utilizzando l'approccio CFD tridimensionale con lo scenario multifase Euleriano-Euleriano. I risultati hanno mostrato una deviazione relativa media del 16% (per caduta di pressione sul bagnato), 14% (per caduta di pressione sul secco) e 17% (per efficienza di trasferimento di massa) tra le previsioni CFD e le misurazioni sperimentali. Questi eccellenti livelli di coerenza tra i risultati numerici e le osservazioni sperimentali confermano l'utilità dell'approccio basato sulla CFD per una simulazione affidabile dei processi di separazione.

Le tecnologie di separazione, come l'assorbimento a base liquida ionica1,2 e assistito da microvaiwe3, l'adsorbimento4,5,6,7, la membrana8, la purificazione circolante9 e la fluidizzazione10,11,12 hanno un'ampia gamma di applicazioni in diverse applicazioni. La colonna di distillazione è probabilmente il processo più noto per separare le materie prime e il flusso di prodotti considerando la relativa volatilità13,14,15. La colonna di distillazione può facilmente gestire un regime di flusso in controcorrente tra flussi di gas e liquidi16. Le colonne di distillazione dotate di vassoio17 e di impaccamento18 sono due categorie principali a questo proposito. Quest'ultimo è suddiviso in due impacchettamenti casuali e strutturati19.

Poiché la struttura di imballaggio presenta un'ampia gamma di vantaggi, tra cui la fornitura di una bassa caduta di pressione, un'elevata efficienza di separazione e l'adattabilità alle diverse operazioni20, è stata selezionata per le torri di separazione su larga scala21 e le industrie chimiche domestiche. Per approfondire le prestazioni di separazione delle procedure chimiche, è popolare un tipo di imballaggio strutturato, ovvero l'imballaggio in fogli ondulati22. Il loro materiale potrebbe essere costituito da metalli, ceramica e plastica23 disposti fianco a fianco con direzioni del canale inverse. Pertanto la loro porosità è pari a circa il novanta per cento, con una superficie specifica attrattiva che varia da 250 a 750 m2/m324.

Le perdite di carico a secco e a umido nelle colonne di distillazione sono associate rispettivamente alla fase gassosa e al flusso gas-liquido in controcorrente attraverso l'altezza della colonna25. Inoltre, l'altezza equivalente ad un piatto teorico (HETP) e la ritenzione di liquidi sono altre caratteristiche essenziali di un imballaggio26,27. Inoltre, l'efficienza di separazione del letto impaccato è stata definita tramite il valore HETP, che mostra il trasferimento di massa degli imballaggi. Va notato che esiste una relazione proporzionale tra questi parametri28.

Tra gli studi numerici sul flusso del fluido attraverso le guarnizioni, la fluidodinamica computazionale (CFD) è un metodo efficace per ridurre il costo economico delle misurazioni sperimentali29,30,31,32. Inoltre, un altro vantaggio di questo metodo computazionale è la capacità di stimare l'effetto di diversi fattori33,34,35. A tale scopo, diversi ricercatori hanno sviluppato precisi metodi di discretizzazione e algoritmi di soluzione, ovvero fornendo uno schema computazionale efficace, per introdurre un modello accurato per la simulazione del flusso negli imballaggi che la combinazione di script e software interni risulterebbe utilizzato a questo scopo36.

Negli ultimi anni, un arricchimento di componenti all’interfaccia gas-liquido37,38 su scala atomistica ha un’importante influenza sui meccanismi di trasferimento di massa39,40,41. Inoltre, diversi studi basati sulla CFD hanno studiato il comportamento del flusso multifase di impaccamenti diversamente strutturati42,43,44,45. Inoltre, lo studio della rappresentazione empirica per uso commerciale dei fogli da imballaggio ondulati è stato presentato in altri lavori computazionali46,47.