Fenomeni di trasporto Sedimentazione e risospensione

1. Fenomeni di trasportoSedimentazione e risospensione Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

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

3. 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

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) Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

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

6. Processi fisici – CSTR pulse Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

7. Processi fisici – CSTR step Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

8. Processi fisici – CSTR 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 Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

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

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

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

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

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

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

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

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

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

20. Processi fisicitrasporto interfase Driving “force” Analogia con resistenze in serie Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

21. Processi interfase – trasp. interfase Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

22. 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

23. Ff Fb Fg Stato stazionario Particelle sferiche 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). Corso di Ingegneria Chimica Ambientale

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

25. 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

26. 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

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

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