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Le proprietą di flusso di solidi particellari per processi avanzati ad alta temperatura ed elevata pressione
Salvatore la Manna - AIDIC - Associazione Italiana Di Ingegneria Chimica
Sina Zinatlou Ajabshir, Dipartimento di Ingegneria Industriale, Universitą degli Studi di Salerno
Diego Barletta, AIDIC
Massimo Poletto, AIDIC
Diego Barletta, AIDIC
Massimo Poletto, AIDIC
La comprensione delle proprietą di flusso e della capacitą di solidi granulari di muoversi liberamente senza creare blocchi o flusso
intermittente č fondamentale in diversi processi industriali. Tuttavia, lo studio delle proprietą di scorrimento di particolato č significativamente limitato nello studio di sistemi con particelle grossolane utilizzando gli strumenti di caratterizzazione disponibili, i tester di scorrimento, e i quadri teorici su cui sono basati. Queste limitazioni diventano particolarmente critiche quando la composizione dell'atmosfera reattiva, le alte temperature e le condizioni di elevato sforzo di compressione sono condizioni significative per i fenomeni di flusso.
Un esempio lampante di queste condizioni estreme si trova nella produzione dell'acciaio, un settore che sta attraversando una significativa trasformazione per ridurre le emissioni di CO2 e promuovere tecnologie sostenibili.
Questo cambiamento include la riduzione diretta dei minerali di ferro utilizzando idrogeno gassoso. In questo processo, le particelle di minerale di ferro (ossido di ferro) reagiscono con l'idrogeno, producendo ferro metallico puro e vapore acqueocome sottoprodotti (Choisez et al., 2024), secondo la reazione: FexOy + yH2 (g) ? xFe + yH2O (g).
I minerali sono introdotti in queste apparecchiature nella forma di pellet, ossia particelle sferiche di polveri di ossido sinterizzati di circa 10 mm di diametro.
Durante la fase di riduzione, le condizioni estreme (temperature fino a 950 °C e sforzi compressivi stimati fino a 800 kPa) inducono fenomeni come frammentazione, rammollimento, coesione, sinterizzazione, alterazioni della struttura cristallina e agglomerazione dei pellet.
Questi fenomeni possono ostacolare il movimento naturale dei pellet e portare al fenomeno indesiderato dell'adesione delle particelle (sticking) (Yi et al., 2013; Zhang et al., 2011).
I tester di scorrimento convenzionali non sono in grado di replicare accuratamente queste condizioni di processo durante la caratterizzazione delle proprietą di flusso e di rispettare rapporti tra le dimensioni della regione sensibile dell'apparecchiatura e quelle dei pellet utilizzati in questi processi, tali da consentire l'applicazione delle ipotesi della meccanica del continuo, comunemente adottate in questi tester.
Gli strumenti standard sono tipicamente progettati per particelle fini, con celle di scorrimento di piccole dimensioni operanti a temperatura ambiente e a sforzi di compressione di poche decine di chilopascal.
Sebbene siano stati fatti tentativi di condurre esperimenti di scorrimento ad alte temperature utilizzando reometri adattati (Zimmerlin et al., 2008), celle riscaldate (Ripp and Ripperger, 2010; Tomasetta et al., 2013) o montate in un forno come la cella del tester di Anton Paar GmbH (Barletta et al., 2019), nessuno di questi strumenti č in grado di replicare le condizioni di processo estreme richieste per riprodurre le condizioni delle fornaci di riduzione.
Per superare questi limiti, il gruppo di ricerca di Tecnologia delle Polveri del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Universitą degli Studi di Salerno (UNISA) ha sviluppato un innovativo tester di scorrimento nell'ambito del progetto di ricerca europeo MaxH2DR (Kempken et al., 2022).
APPARATO SPERIMENTALE
Il nuovo apparato, denominato Reacting High Temperature Shear Tester (RHT-ST), č un sistema innovativo, ad atmosfera gassosa controllata, progettato specificamente per analizzare le proprietą di flusso di insieme di pellet di minerale di ferro nelle esatte condizioni di temperatura e composizione del gas richieste per il processo di riduzione.
Il principio di misurazione del RHT-ST č simile a quello definito per le particelle fini. Il sistema č costituito da una cella di scorrimento con due parti fondamentali: il coperchio a alette (A) e la tazza (B) (Figura 1 nel PDF).
- Il coperchio a alette garantisce la distribuzione della forza applicata per comprimere il materiale del campione, mentre le alette facilitano la creazione di un piano di scorrimento a una profonditąspecifica. Una caratteristica fondamentale č lo spessore aumentatodelle alette, disposte radialmente sul coperchio, che consente lorodi resistere agli elevati sforzi di taglio risultanti dalle alte forzecompressive sotto indagine. Il coperchio č collegato a un attuatore pneumatico che applica una forza normale costante, capace di generare uno sforzo normale di circa 2400 kPa.
- La tazza ha un volume di circa 245 mL e include un distributore per garantire un contatto intimo tra il gas e il materiale solido trattato. La tazza č ruotata a una velocitą di circa 0,015 giri al minuto.
Durante il funzionamento, il coperchio e la tazza sono alloggiati all'interno di un reattore a guscio d'acciaio, costruito in due parti flangiate per facilitare il caricamento della cella. Il reattore č realizzato in acciaio AISI 310 per mantenere l'atmosfera gassosa controllata.
Il guscio e la cella sono posti in un forno elettrico capace di raggiungere temperature superiori a 1000 °C. Due canali assiali, uno superiore e uno inferiore, si estendono fuori dal forno e contengono le aste che supportano la vasca e il coperchio che hanno la funzione di trasmettere moto e forze della tazza e del coperchio.
Guarnizioni raffreddate ad acqua alle estremitą di questi canali prevengono il trasferimento di calore al sensore di coppia sull'asta
superiore e al motore sull'asta inferiore (Figura 2 nel PDF).
Il sistema di monitoraggio del RHT-ST consente il controllo in tempo reale dei parametri chiave del processo: lo sforzo compressivo applicato, il momento torcente misurato, il movimento del coperchio e la temperatura interna della camera reattiva.
La qualitą e l'accuratezza del segnale sono migliorate tramite un condizionamento del segnale, garantendo la compatibilitą con l'unitą di acquisizione dati USB-6341 X Series DAQ. Un'interfaccia LabVIEW gestisce la comunicazione di input/output e permette la registrazione e il salvataggio dei dati rilevanti nelle fasi di campionamento. Un'applicazione dedicata del produttore controlla il motore.
VALIDAZIONE E PROVE PRELIMINARI
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Questo cambiamento include la riduzione diretta dei minerali di ferro utilizzando idrogeno gassoso. In questo processo, le particelle di minerale di ferro (ossido di ferro) reagiscono con l'idrogeno, producendo ferro metallico puro e vapore acqueocome sottoprodotti (Choisez et al., 2024), secondo la reazione: FexOy + yH2 (g) ? xFe + yH2O (g).
I minerali sono introdotti in queste apparecchiature nella forma di pellet, ossia particelle sferiche di polveri di ossido sinterizzati di circa 10 mm di diametro.
Durante la fase di riduzione, le condizioni estreme (temperature fino a 950 °C e sforzi compressivi stimati fino a 800 kPa) inducono fenomeni come frammentazione, rammollimento, coesione, sinterizzazione, alterazioni della struttura cristallina e agglomerazione dei pellet.
Questi fenomeni possono ostacolare il movimento naturale dei pellet e portare al fenomeno indesiderato dell'adesione delle particelle (sticking) (Yi et al., 2013; Zhang et al., 2011).
I tester di scorrimento convenzionali non sono in grado di replicare accuratamente queste condizioni di processo durante la caratterizzazione delle proprietą di flusso e di rispettare rapporti tra le dimensioni della regione sensibile dell'apparecchiatura e quelle dei pellet utilizzati in questi processi, tali da consentire l'applicazione delle ipotesi della meccanica del continuo, comunemente adottate in questi tester.
Gli strumenti standard sono tipicamente progettati per particelle fini, con celle di scorrimento di piccole dimensioni operanti a temperatura ambiente e a sforzi di compressione di poche decine di chilopascal.
Sebbene siano stati fatti tentativi di condurre esperimenti di scorrimento ad alte temperature utilizzando reometri adattati (Zimmerlin et al., 2008), celle riscaldate (Ripp and Ripperger, 2010; Tomasetta et al., 2013) o montate in un forno come la cella del tester di Anton Paar GmbH (Barletta et al., 2019), nessuno di questi strumenti č in grado di replicare le condizioni di processo estreme richieste per riprodurre le condizioni delle fornaci di riduzione.
Per superare questi limiti, il gruppo di ricerca di Tecnologia delle Polveri del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Universitą degli Studi di Salerno (UNISA) ha sviluppato un innovativo tester di scorrimento nell'ambito del progetto di ricerca europeo MaxH2DR (Kempken et al., 2022).
APPARATO SPERIMENTALE
Il nuovo apparato, denominato Reacting High Temperature Shear Tester (RHT-ST), č un sistema innovativo, ad atmosfera gassosa controllata, progettato specificamente per analizzare le proprietą di flusso di insieme di pellet di minerale di ferro nelle esatte condizioni di temperatura e composizione del gas richieste per il processo di riduzione.
Il principio di misurazione del RHT-ST č simile a quello definito per le particelle fini. Il sistema č costituito da una cella di scorrimento con due parti fondamentali: il coperchio a alette (A) e la tazza (B) (Figura 1 nel PDF).
- Il coperchio a alette garantisce la distribuzione della forza applicata per comprimere il materiale del campione, mentre le alette facilitano la creazione di un piano di scorrimento a una profonditąspecifica. Una caratteristica fondamentale č lo spessore aumentatodelle alette, disposte radialmente sul coperchio, che consente lorodi resistere agli elevati sforzi di taglio risultanti dalle alte forzecompressive sotto indagine. Il coperchio č collegato a un attuatore pneumatico che applica una forza normale costante, capace di generare uno sforzo normale di circa 2400 kPa.
- La tazza ha un volume di circa 245 mL e include un distributore per garantire un contatto intimo tra il gas e il materiale solido trattato. La tazza č ruotata a una velocitą di circa 0,015 giri al minuto.
Durante il funzionamento, il coperchio e la tazza sono alloggiati all'interno di un reattore a guscio d'acciaio, costruito in due parti flangiate per facilitare il caricamento della cella. Il reattore č realizzato in acciaio AISI 310 per mantenere l'atmosfera gassosa controllata.
Il guscio e la cella sono posti in un forno elettrico capace di raggiungere temperature superiori a 1000 °C. Due canali assiali, uno superiore e uno inferiore, si estendono fuori dal forno e contengono le aste che supportano la vasca e il coperchio che hanno la funzione di trasmettere moto e forze della tazza e del coperchio.
Guarnizioni raffreddate ad acqua alle estremitą di questi canali prevengono il trasferimento di calore al sensore di coppia sull'asta
superiore e al motore sull'asta inferiore (Figura 2 nel PDF).
Il sistema di monitoraggio del RHT-ST consente il controllo in tempo reale dei parametri chiave del processo: lo sforzo compressivo applicato, il momento torcente misurato, il movimento del coperchio e la temperatura interna della camera reattiva.
La qualitą e l'accuratezza del segnale sono migliorate tramite un condizionamento del segnale, garantendo la compatibilitą con l'unitą di acquisizione dati USB-6341 X Series DAQ. Un'interfaccia LabVIEW gestisce la comunicazione di input/output e permette la registrazione e il salvataggio dei dati rilevanti nelle fasi di campionamento. Un'applicazione dedicata del produttore controlla il motore.
VALIDAZIONE E PROVE PRELIMINARI
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Fonte: La Termotecnica settembre 2025
Settori: Analisi, abbattimento e Controllo emissioni, Automotive, Combustibili, Efficienza energetica industriale, GAS, Idrogeno, Rinnovabili, Termotecnica industriale
Mercati: Trasporti e Automotive
