Fenomeni di trasporto Sedimentazione e risospensione Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Scelta della scala spazio-temporale feedback Modelli in cascata: ecology and the scale issue Nesting vs scale di compromesso Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – bilanci di massa Accumulo = Input – Ouput ± Reazione 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) Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

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) Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – CSTR Accumulo = Input – Ouput ± Reazione L=Q·Cin C Outflow Settling (As settling area) Soluzione particolare che dipende da forma di Load Corso di Modellistica e controllo dei sistemi ambientali

Processi fisici – CSTR pulse Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – CSTR step Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – CSTR Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

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 Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – PFR Accumulo = Input – Ouput ± Reazione Steady state Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – MFR Accumulo = Input – Ouput ± Reazione Steady state Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

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 Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – advezione (avvezione, “convezione”,…) Domina il trasporto nella direzione del flusso, cambi di conc. trascurabili Accumulo = Input - Ouput lungo x in tre dimensioni Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici - advezione fluido incomprimibile e conservativo Cambiamento di concentrazione nell’elemento che si muove con velocità v in tre dimensioni Variazione di C per compressione/espansione del fluido Cambio di C nel tempo Termine advettivo Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

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

Processi fisici – diff. molecolare Soluzione (m in x=0 per t=0) Moltiplico e divido per Dx2 Gradient smoothing Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici diffusione turbolenta Advezione netta della sostanza dovuta alle fluttuazioni turbolente D>>Ddiff mol.; dipende dalla scala spaziale; anisotropia Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – coeff. diffusione D è una misura di quanto è larga la gaussiana: Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – dispersione Advezione + diffusione; effetto dei profili di velocità (fenomeno modellabile con legge di Fick) dispersione advezione diffusivo 1-D Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici trasporto interfase Driving “force” Analogia con resistenze in serie Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi interfase – trasp. interfase Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – sedimentazione e risospensione In ambiente acquatico: processi fisici che descrivono il trasporto dalla colonna d’acqua (ad es. sedimentazione fitoplancton al di fuori della zona eufotica) al comparto bentonico e viceversa (ad es. risospensione nutrienti) Nell’aria: deposizione ed erosione dovuta al vento (non trattati) Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – sedimentazione 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). Ff Fb Fg Stato stazionario Particelle sferiche Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – sedimentazione Cd Altre forme (alghe): Raggio equivalente e fattore correttivo Possibile influenza dei fattori biotici Re = (d ρf v) /μ Flusso laminare, sfere: Cd = 24 / Re Flusso turbolento, cilindri: Cd = 1 Legge di Stokes Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – sedimentazione Relazione più semplice (non necessita di costanti) m materiale in sospensione h profondità media del sistema s velocità di rimozione per sedimentazione Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – risospensione Fattori di influenza: Energia del vento (velocità U e fetch F) Onde (altezza Hs e periodo Ts=L/v) Energia nell’acqua (profondità H e stress t) Sedimento (stress critico tc dipende da granulometria e consolidazione: è una proprietà del sedimento) Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – risospensione Detti e l’ammontare dei sedimenti risospesi: dyne=10-5 N Per “shallow water”: dove u è la velocità in cm/s a 15 cm dal fondo e t=[dyne/cm2] Considera vento ma non l’effetto delle correnti In alternativa u si può misurare. Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

Processi fisici – risospensione Importanza del tipo di materiale Corso di Ingegneria Chimica Ambientale