Codici di calcolo per l’analisi e la simulazione di processi industriali fluido-particellari multicomponente

Risultato della ricerca:

Il trattamento di materiali granulari pone da sempre sfide complesse, poiché la meccanica e la dinamica di tali sostanze, le interazioni superficiali tra i materiali, determinano un comportamento in flusso difficilmente assimilabile a quello di un solido compatto o di un liquido che scorre. A dispetto della notevole diffusione di materie prime, intermedi o prodotti in forma granulare, la complessità associata alla loro caratterizzazione causa enormi problemi di progettazione preventiva, di scale-up e di ottimizzazione dei processi. I passi da compiere nello sviluppo di nuovi impianti ed apparecchiature, infatti, si basano su regole di progettazione largamente empiriche e passano per la continua necessità di sperimentazione e convalida delle previsioni dalla scala di laboratorio a quella industriale.

Nell’ottica di incrementare il grado di comprensione dei meccanismi di base e di facilitare la caratterizzazione dei processi di interesse, il gruppo di ricerca sviluppa da oltre un decennio codici e moduli di calcolo per studi fondamentali di simulazione physics-based della fluidodinamica, dei processi di miscelazione e dei relativi fenomeni di trasporto di materia e calore, in sistemi industriali che prevedono la presenza di un solido granulare (particelle o polveri), eventualmente interagente con un fluido. Tramite il concetto di Digital Twin, ossia la rappresentazione virtuale e dinamica di un oggetto o di un sistema fisico, è possibile creare un gemello digitale del processo e ridurre i tempi dalla sua progettazione alla effettiva messa in produzione.  L’approccio utilizzato per la modellazione e simulazione di tali sistemi si basa sulla tecnica agli elementi discreti DEM (Discrete Element Method) per la fase solida, accoppiata ad un algoritmo di fluidodinamica numerica (Computational Fluid Dynamics, CFD) per la fase fluida. L’approccio agli elementi discreti risulta enormemente flessibile, poiché le interazioni con il fluido, tra le particelle e con le pareti del dispositivo di interesse possono raggiungere un grado di complessità illimitato.

Ad oggi, con l’ausilio di codici ottimizzati e piattaforme di calcolo parallelo, è possibile simulare la dinamica di milioni di particelle sferiche soggette a forze di drag, di galleggiamento generalizzato, di var der Waals, elettrostatiche. L’abbinamento con la rappresentazione del campo di moto di un gas o di un liquido che attraversa la fase solida consente di simulare accuratamente processi di miscelazione e segregazione in letti fluidizzati di solidi utilizzati in diversi settori industriali. L’introduzione dei termini relativi al trasporto di energia termica consente infine di includere anche l’effetto della temperatura.  Le applicazioni spaziano da piccoli dispositivi farmaceutici a grandi impianti industriali petrolchimici e delle costruzioni, laddove siano presenti materie prime o prodotti in forma granulare.

Il gruppo di ricerca si occupa da venti anni di sviluppo di codici di simulazione della fluidizzazione di solidi e miscele di solidi. Dalle prime versioni di software DEM-CFD, limitati a poche decine di migliaia di particelle grossolane in geometrie elementari, si è passati alla capacità di riprodurre il comportamento di milioni di particelle sottoposte all’azione di un fluido. In particolare, sono stati confrontati i profili di concentrazione di solidi di diversa taglia che, in condizioni di incipiente fluidizzazione, dimostrano la stratificazione prevedibile delle particelle anche nelle condizioni più complesse come l’inversione degli strati in letti fluidizzati a liquido

Riferimento a finanziamenti precedenti:

Le ricerche che hanno condotto allo sviluppo di codici e moduli per simulazioni DEM-CFD sono state condotte con il supporto di progetti di ricerca fondamentale di origine ministeriale (PRIN, PON) e collaborazioni con il settore privato.

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

L’inclusione di operazioni di fluidizzazione multicomponente consente di rendere continui processi ed impianti che tradizionalmente operazione in condizioni batch, ovvero discontinue. Al momento, i software di simulazione numerica disponibili in commercio sono in grado di trattare campi di moto di un mezzo continuo (fluido o gas) o, in alcuni casi, di trattare sistemi fluido-solido granulare con i metodi simil-continuo, applicabili limitatamente solo in sistemi densi ed a reologia semplice, ovvero disaccoppiati, validi solo in sistemi diluiti, nei quali l’interazione tra le fasi si considera solo nel senso del fluido sul solido ma non viceversa. In entrambi i casi alcune caratteristiche del moto delle particelle potenzialmente importanti vengono trascurate per semplicità, come la rotazione delle particelle o le forze di adesione/coesione. D’altra parte, esistono software in grado di simulare la sola fase solida granulare con l’approccio DEM, quindi in modo accurato. Tuttavia, l’interazione con il fluido, necessaria in dispositivi come i letti fluidizzati, richiede complesse combinazioni con software esterni, con i relativi costi computazionali legati allo scambio di informazioni tra i software.

Affinché si rendano possibili simulazioni di sistemi su larga scala ed in applicazioni che includono lo scambio di materia ed energia (reattori, essiccatori, granulatori, etc.) è necessario disporre del massimo grado di ottimizzazione del codice e della flessibilità operativa consentita solo da codici aperti, come gli strumenti messi a disposizione nella presente proposta. Il sistema di codici e moduli sviluppati e personalizzabili per diversi settori applicativi rende la soluzione proposta unica nel suo genere.

Il gruppo di ricerca, infine, mette a disposizione impianti di fluidizzazione su scala da laboratorio con cui si possano convalidare eventuali modelli di simulazione aggiuntivi.

Titoli di proprietà intellettuale:

I risultati della ricerca non sono ancora oggetto di titoli di proprietà industriale.

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

Come anticipato, i settori applicativi possono essere molto diversificati. Tutti i campi nei quali solidi particellari interagenti con correnti gassose o liquide partecipino o siano soggetti ad operazioni di trasformazione all’interno di processi industriali, come materie prime, come intermedi di produzione o come prodotti, sono potenziali ambiti nei quali la simulazione physics-based DEM-CFD offre un significativo potenziale di innovazione per nuovi processi e prodotti. Tra questi settori figurano certamente quelli dell’industria chimica, alimentare, farmaceutica, dei materiali da costruzione, dell’energia.

In conseguenza della varietà di settori applicativi risulta complesso presentare una disamina esauriente dei mercati di riferimento. A titolo esemplificativo, si riportano alcuni dati di riferimento del settore dei materiali per l’edilizia, nella cui area di riciclo e riutilizzo sostenibile, in ottica circolare, i risultati della presente ricerca possono trovare utile collocazione. Il mercato dei materiali da costruzione è in costante crescita a livello mondiale.

Il tasso di crescita medio nel decennio è stato del 5,2% e le proiezioni hanno mostrato un passaggio a livello globale dai 734 miliardi di dollari del 2015 ad oltre un trilione atteso nel 2020 (fonte: The Global Construction Material Market, Global Industry Analysts, Inc.). In particolare, il tasso di crescita annuo nelle economie emergenti supera il 10%. In termini di volumi, i premiscelati secchi per l’edilizia hanno raggiunto quota 700 mln di tonnellate, di cui circa 490 mln sono aggregati essiccati. Il mercato dei soli prodotti chimici premiscelati per l’edilizia vale più di 130 miliardi di euro. Nel solo mercato italiano ci sono oltre 2000 rivenditori di materiali da costruzione.

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

La generazione di codici utilizzabili commercialmente richiede una buona dose di personalizzazione verso la specifica applicazione.

Con l’ausilio di imprese partner sarà possibile mettere insieme un software in grado di generale condizioni iniziali, risolvere la dinamica di moto delle fasi solida e fluida e i relativi fenomeni di trasporto connessi, così da rappresentare un modello digitale (Digital Twin) di operazioni di processo su cui applicare significativi miglioramenti o su unità di concezione radicalmente nuova.