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Archivio digitale delle tesi discusse presso l'Università di Pisa

Tesi etd-04222020-005954


Tipo di tesi
Tesi di laurea magistrale
Autore
GIUNTINI, LORENZO
URN
etd-04222020-005954
Titolo
DIMENSIONAMENTO DI POST-COMBUSTORI RIGENERATIVI MEDIANTE TECNICHE DI FLUIDODINAMICA COMPUTAZIONALE
Dipartimento
INGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE
Corso di studi
INGEGNERIA CHIMICA
Relatori
relatore Prof.ssa Galletti, Chiara
relatore Prof. Bertei, Antonio
controrelatore Prof. Nicolella, Cristiano
Parole chiave
  • regenerative thermal oxidizer
  • ossidatore termico rigenerativo
  • fluidodinamica computazionale
  • COV
  • computational fluid dynamic
  • CFD
  • ceramici
  • ceramic packings
  • residence time
  • riempimenti
  • RTO
  • tempi di residenza
  • VOC
Data inizio appello
08/05/2020
Consultabilità
Non consultabile
Data di rilascio
08/05/2090
Riassunto
RIASSUNTO
I composti organici volatili (COV) rappresentano un rischio per la salute e per l’ambiente e le loro emissioni in atmosfera sono strettamente regolamentate. Per trattare gas di scarico contenenti COV, vengono comunemente utilizzati ossidatori termici, soprattutto nei processi industriali con grandi portate volumetriche. A tal proposito gli Ossidatori Termici Rigenerativi (RTO) costituiscono una soluzione efficace al problema ambientale, poiché uniscono elevata efficienza di abbattimento, con elevata efficienza di recupero termico. La possibilità di recuperare il calore di combustione dei COV, permette infatti di ridurre i consumi di combustibile ausiliario e quindi i costi di esercizio, nonché l’emissione di ulteriore CO2. Gli RTO presentano generalmente due o più letti ceramici che permettono di immagazzinare il calore contenuto nei gas uscenti dalla camera di combustione e di trasferirlo alla corrente gassosa entrante, per preriscaldarla. In questo progetto di tesi viene studiato il funzionamento di un 3-canisters RTO, mediante tecniche di fluidodinamica computazionale (CFD). A tal proposito è stato sviluppato un modello 3D stazionario, valutando sei diversi istanti del funzionamento della apparecchiatura. Sono state risolte equazioni di continuità, quantità di moto, energia e turbolenza, ma anche equazioni di trasporto delle specie, reazione chimica e radiazione in un dominio computazionale composto da circa 2.5 milioni di celle; i riempimenti ceramici sono stati trattati come mezzi porosi. Il presente modello CFD è in grado di fornire una dettagliata analisi sul campo termo-fluidodinamico, dando informazioni sui tempi di residenza e le temperature in camera di combustione, così come sull’abbattimento dei COV. In particolare i valori delle perdite di carico e la concentrazione di COV in uscita sono stati validati mediante misure sperimentali. Inoltre è stato analizzato il campo di moto nei canisters di ingresso e uscita, al fine migliorare la distribuzione del gas nel letti ceramici e ridurre le perdite di carico in prossimità delle valvole. Il complesso modello CFD sviluppato riesce a descrivere efficacemente il funzionamento di ossidatori termici rigenerativi e costituisce un potente strumento per la progettazione e l’ottimizzazione di queste apparecchiature.

ABSTRACT
Volatile Organic Compounds (VOCs) are dangerous for health and environment and their emissions in the atmosphere are strictly regulated. In order to treat exhaust gases containing VOCs, thermal oxidizers are commonly used, especially in industrial processes with large volumetric flow rates. In this framework, Regenerative Thermal Oxidizers (RTO) represent an effective solution to the environmental problem, since they combine high removal efficiency with high heat recovery efficiency. Recovering the combustion heat from VOCs oxidation, reduces the consumption of auxiliary fuel, the operating costs and the emission of additional CO2. RTOs are characterized by multiple beds of ceramic media, which are able to store sensible heat from the outgoing combustion products and then to transfer it to the incoming raw gases. The objective of the present work is to study regenerative thermal oxidizers operation through Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques. A 3D steady-state model of a 3-canisters RTO has been developed and six different instants within a dynamic cycle have been investigated. Continuity, energy and turbulence equations as well as species transport and chemical reactions are solved in a 2.5 million cells computational domain. Ceramic media have been treated as porous zone. The model provides a detailed analysis of the thermo-fluid dynamics field, giving information on residence times and temperatures in the combustion chamber as well as on VOC abatement. Results on pressure drop and VOCs abatement have been validated against experimental data. Then a fluid dynamic study has been done to improve gas distribution in the ceramic media and to reduce pressure drop through inlet and outlet RTO valves. Since obtained results well approximate the real functioning of RTOs, we can consider the present CFD model as a powerful tool for the design and optimization of these equipment.
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