Capitolo uno: Introduzione e scopo del lavoro
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Capitolo uno
Introduzione e scopo del lavoro
Lo “Static mixer” conosciuto anche come “motionless mixer” sta divenendo di fondamentale importanza nei processi industriali moderni: nuovi modelli sono stati sviluppati e “performance” sempre migliori stanno permettendo la sostituzione dei tradizionali agitatori. Sono ormai utilizzati in molti processi poiché permettono di avere “perfomance” simili o migliori a un costo inferiore.
Il mixing gioca quindi un ruolo fondamentale in diversi settori industriali:
Chimica fine Petrolchimica
Processi di polimerizzazione Industria alimentare
La principale caratteristica dei miscelatori in linea è di richiedere uno scarso apporto di energia: il miscelamento avviene a spese delle perdite di carico. Richiedono una ridotta, se non assente, manutenzione poiché non sono presenti parti in movimento che possano usurarsi nel tempo. Nei processi batch, offrono maggiore controllo nella velocità di diluizione dell’alimentazione e tempi di residenza minori rispetto a un contenitore agitato. Sono inoltre disponibili in un’ampia gamma di materiali.
Alcuni dei vantaggi nell’utilizzo di miscelatori statici sono riportati in tabella 1 proponendo un confronto tra uno static mixer e un CSTR:
Capitolo uno: Introduzione e scopo del lavoro
2 Il tipico design di uno static mixer è costituito da una serie di eliche statiche chiamate “elementi”, che possono essere installati in colonne, tubazioni o reattori. Lo scopo di questi elementi è quello di ridistribuire il fluido in direzioni tangenziale o radiale favorendo così il miscelamento.
Figura 1: Esempi di Static Mixer, sulla sinistra è rappresentato il modello Kenics, sulla destra un KM
In figura 1 sono riportati due tra i principali modelli di miscelatori statici. A sinistra è riportato il Kenics KM la cui configurazione porta a una rotazione di 90° del fluido, alternando rotazioni orarie e antiorarie. Il Kenics KM è il modello utilizzato nel presente lavoro di tesi. A destra è raffigurato uno SMX standard a quattro elementi.
Kenics KM e SMX sono i principali modelli usati a livello industriale, anche se solo negli US esistono 2000 brevetti di static mixer e oltre 30 modelli attualmente in commercio.
Proprio per le larghe applicazioni pratiche è necessario individuare dei parametri caratteristici che permettano di definire in modo univoco il grado di miscelamento finale.
Il presente lavoro di tesi nasce da un’esigenza pratica volta a indagare il comportamento di una soluzione d’interesse industriale, di cui erano state fornite le sole proprietà reologiche, all’interno di Kenics mixer in regime laminare.
Il mixing in regime laminare è entrato a essere oggetto di studio solo negli ultimi anni: esperimenti sono stati portati avanti per capire a fondo il mixing e i principali fattori limitanti per ottenere un design via via sempre più efficace.
A questo scopo sono stati confrontati due indici comunemente usati in letteratura con l’obiettivo di individuare quale meglio si presta a descrivere il miscelamento di un fluido non-Newtoniano in regime laminare.
Capitolo uno: Introduzione e scopo del lavoro
3 Gli indici comunemente utilizzati sono:
Il “Coefficient of Variance” (CoV): legato all’intensità del miscelamento. Questo paragrafo si riferisce alla deviazione standard da un valore medio. In letteratura viene utilizzato quindi per indagare lo scostamento da una concentrazione media di un insieme di dati considerato.
La “Striation thickness”: legata alla scala del miscelamento. In questo caso viene preso in considerazione lo spessore delle striature del tracciante in uscita dal miscelatore statico: più questi sono “sottili” migliore è il miscelamento ottenuto. A questo scopo è stato sviluppato un programma in codice Matlab.
La soluzione utilizzata è una miscela acqua – Carbopol, capace di ricalcare il comportamento della soluzione target. Sono state quindi svolte varie prove in laboratorio tramite tecnica PIV in modalità PLIF, allo scopo di indagare il campo di concentrazione in uscita dall’apparecchiatura appositamente costruita. La tecnica d’analisi utilizzata permette di ottenere foto ad alta risoluzione in bianco e nero, grazie alle quali si può seguire l’evolversi nel tempo del miscelamento tra soluzione e il tracciante.
In seguito alle prove svolte e al confronto effettuato si suggerisce l’utilizzo della “striation thickness” come migliore parametro atto a descrivere un fluido non-Newtoniano in flusso laminare all’interno di un miscelatore statico tipo Kenics.
