Modelling and Simulation of multiphase and supercritical fluid systems

This thesis focuses on the modelling and simulation of multiphase and supercritical fluid systems, addressing three key areas of study. First, the extraction of omega-3 fatty acids from fish oil using supercritical carbon dioxide (sc-CO2) is investigated through both experimental and Computational Fluid Dynamics (CFD) approaches, releated to the column's floading conditions. CFD simulations, based on the Volume of Fluid (VOF) method, capture the hydrodynamic behavior of the multiphase system, showing good agreement with experimental results. Second, the transition between non-aerated and aerated regimes in uncovered unbaffled stirred tanks is explored using CFD, accurately predicting vortex formation, bubble dispersion, and power consumption changes in both regimes. Third, fluid dynamics in vibromixers, a technology used for process intensification, are studied via CFD, revealing enhanced mass transfer during biodiesel production, as well as insights into solid-liquid suspension behaviors within these systems. Together, these studies contribute to improving process efficiencies in industrial applications.

Questa tesi si concentra sulla modellazione e simulazione di sistemi di fluidi multi-fase e supercritici, affrontando tre aree chiave di studio. In primo luogo, viene esaminata l'estrazione degli acidi grassi omega-3 dall'olio di pesce utilizzando anidride carbonica supercritica (sc-CO2) attraverso approcci sia sperimentali che di Dinamica dei Fluidi Computazionale (CFD), relativi alle condizioni di flottazione della colonna. Le simulazioni CFD, basate sul metodo Volume of Fluid (VOF), catturano il comportamento idrodinamico del sistema multi-fase, mostrando una buona concordanza con i risultati sperimentali. In secondo luogo, viene esplorata la transizione tra regimi non aerati e aerati in serbatoi mescolatori non schermati e senza baffles, utilizzando CFD, prevedendo con precisione la formazione di vortici, la dispersione delle bolle e le variazioni nel consumo di energia nei due regimi. In terzo luogo, vengono studiati i fenomeni di dinamica dei fluidi nei vibromixers, una tecnologia utilizzata per l'intensificazione dei processi, attraverso CFD, rivelando un miglioramento nel trasferimento di massa durante la produzione di biodiesel, nonché informazioni sul comportamento delle sospensioni solido-liquido all'interno di questi sistemi. Insieme, questi studi contribuiscono a migliorare l'efficienza dei processi nelle applicazioni industriali.