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Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 1 Fenomeni di trasporto Sedimentazione.

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1 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 1 Fenomeni di trasporto Sedimentazione e risospensione

2 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 2 Scelta della scala spazio-temporale Modelli in cascata: ecology and the scale issue Nesting vs scale di compromesso feedback

3 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 3 Processi fisici – bilanci di massa I/O: fenomeni fisici di trasporto Reazione: –Fisici (e.g., cambiamento di fase) –Chimici (e.g., reazioni, equilibri) –Biologici (e.g., produzione primaria, ciclo ossigeno) Accumulo = Input – Ouput ± Reazione

4 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 4 Processi fisici – bilanci di massa Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) completamente miscelati, comandati da diff. turbol., 0-D Plug Flow Reactor (PFR) comandati da advezione, 1-D Mixed Flow Reactor (MFR) condizionati da dispersione e advezione (estuari)

5 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Modellistica e controllo dei sistemi ambientali 5 Processi fisici – CSTR Accumulo = Input – Ouput ± Reazione L=Q·C in C C Outflow Settling (A s settling area) Soluzione particolare che dipende da forma di Load

6 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 6 Processi fisici – CSTR pulse

7 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 7 Processi fisici – CSTR step

8 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 8 Processi fisici – CSTR

9 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 9 Processi fisici – sistemi di CSTR Per simulare sistemi complessi è possibile usare una rete di CSTRs in relazione fra loro in maniera più o meno complessa

10 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 10 Processi fisici – PFR Accumulo = Input – Ouput ± Reazione Steady state

11 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 11 Processi fisici – MFR Accumulo = Input – Ouput ± Reazione Steady state

12 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 12 Processi fisici - Trasporto Advezione: trasporto solidale con il fluido, nessuna variazione di concentrazione Diffusione: trasporto che tende ad annullare gradienti di concentrazione Dispersione: combinazione di advezione e diffusione

13 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 13 Processi fisici – advezione (avvezione, convezione,…) Domina il trasporto nella direzione del flusso, cambi di conc. trascurabili Accumulo = Input - Ouput lungo x in tre dimensioni

14 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 14 Processi fisici - advezione in tre dimensioni Variazione di C per compressione/espansione del fluido Cambio di C nel tempo Termine advettivo fluido incomprimibile e conservativo Cambiamento di concentrazione nellelemento che si muove con velocità v

15 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 15 Processi fisici: diffusione molecolare Accumulo = Input - Ouput soluzione lungo x Moti browniani isotropici; importante in trasporti verticali (stratificazioni; sedimenti); base per formulazione matematica della diffusione turbolenta Prima legge di Fick 3-D Seconda legge di Fick Visione probabilistica, random walk

16 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 16 Processi fisici – diff. molecolare Soluzione (m in x=0 per t=0) Moltiplico e divido per x 2 Gradient smoothing

17 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 17 Processi fisici diffusione turbolenta Advezione netta della sostanza dovuta alle fluttuazioni turbolente D>>Ddiff mol.; dipende dalla scala spaziale; anisotropia

18 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 18 Processi fisici – coeff. diffusione D è una misura di quanto è larga la gaussiana:

19 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 19 Processi fisici – dispersione advezione diffusivo dispersione 1-D Advezione + diffusione; effetto dei profili di velocità (fenomeno modellabile con legge di Fick)

20 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 20 Processi fisici trasporto interfase Driving force Analogia con resistenze in serie

21 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 21 Processi interfase – trasp. interfase

22 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 22 Processi fisici – sedimentazione e risospensione In ambiente acquatico: processi fisici che descrivono il trasporto dalla colonna dacqua (ad es. sedimentazione fitoplancton al di fuori della zona eufotica) al comparto bentonico e viceversa (ad es. risospensione nutrienti) Nellaria: deposizione ed erosione dovuta al vento (non trattati)

23 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 23 Processi fisici – sedimentazione FfFf FbFb FgFg Stato stazionario Particelle sferiche HP di sedimentazione granulosa (in impianti di depurazione anche fioccosa o di massa): particelle non aggregate (e.g. flocculazione) soluzione diluita (no influsso di altre particelle).

24 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 24 Processi fisici – sedimentazione Flusso laminare, sfere: C d = 24 / Re Flusso turbolento, cilindri: C d = 1 Re = (d ρ f v) /μ CdCd Legge di Stokes Altre forme (alghe): Raggio equivalente e fattore correttivo Possibile influenza dei fattori biotici

25 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 25 Processi fisici – sedimentazione m materiale in sospensione h profondità media del sistema s velocità di rimozione per sedimentazione Relazione più semplice (non necessita di costanti)

26 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 26 Processi fisici – risospensione Fattori di influenza: Energia del vento (velocità U e fetch F) Onde (altezza H s e periodo T s =L/v) Energia nellacqua (profondità H e stress ) Sedimento (stress critico c dipende da granulometria e consolidazione: è una proprietà del sedimento)

27 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 27 Processi fisici – risospensione Detti lammontare dei sedimenti risospesi: Per shallow water: dove u è la velocità in cm/s a 15 cm dal fondo e =[dyne/cm 2 ] dyne=10 -5 N Considera vento ma non leffetto delle correnti In alternativa u si può misurare.

28 Università di Padova LASA – Laboratorio di Analisi dei Sistemi Ambientali Corso di Ingegneria Chimica Ambientale 28 Processi fisici – risospensione Importanza del tipo di materiale


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