A Euler-Euler model for simulations of fluidized bed plastic gasifiers with detailed kinetics

The gasification process in fluidized bed reactors is considered a promising alternative in the plastics recycling contest due to its ability to valorize plastics of different compositions, producing materials with a value comparable to or higher than the fed waste. However, the understanding of these technologies is challenging due to the interaction of the involved phenomena which simultaneously occur in the reactive environment and characterized by a broad range of spatial and temporal scales. The coupling between experiment and computational modeling appears a promising solution for a deeper understanding of these systems. However, only simplified numerical approaches have been developed in the literature to describe the behaviour of fluidized bed gasifiers. Thus, this thesis aims at developing a multiscale numerical framework able to predict the behaviour of a fluidized bed gasifier processing plastic waste. Accordingly, the complex multiphase fluid dynamic behaviour modeled with an Euler-Euler approach is coupled with detailed kinetic mechanisms describing the plastic decomposition and its evaporation. The reliability and accuracy of the developed model have been first tested by considering the polyamide gasification in a conventional fluidized bed configuration. Two evaporation models have been studied and compared. The effects of the particle diameter and the reactor temperature on the system behaviour are investigated. In particular, an increment of the particle diameters leads to a lower evaporated mass while negligible effects of the temperature have been observed due to the simplifying assumptions adopted in this work. Finally, the developed multiscale approach has been exploited to understand the effects of the diameter and the reactor temperature in a polyvinylchloride gasifier. Whilst the diameter effect is the same as the polyamide, the evaporative contribution is different because of the different reactivity of the plastic at the selected temperatures. The developed approach has therefore been able to describe different systems whose reactivity is described by kinetic models of arbitrary complexity resulting in a step towards the computational analysis and design of fluidized bed plastic gasifiers.

La gassificazione delle plastiche nei reattori a letto fluido è una valida alternativa per il riciclo delle plastiche, consente infatti di valorizzare plastiche di diversa natura producendo nuovi materiali con importante valore di mercato. Difficile è la comprensione dei fenomeni che avvengono in queste tecnologie a causa delle interazioni tra i fenomeni stessi in gioco, caratterizzati da diverse scale temporali e spaziali. Il connubio tra prove sperimentali e modellazione è la strada più proficua per comprendere al meglio questi sistemi. Tuttavia sono stati sviluppati in bibliografia solo modelli semplificati per la descrizione di queste apparecchiature. Questa tesi si pone dunque l'obiettivo di sviluppare un modello numerico multiscala capace di descrivere il comportamento di gassificatori a letto fluido per il trattamento di rifiuti plastici. I fenomeni fluidodinamici, descritti da un modello Euleriano-Euleriano, sono accoppiati ad una cinetica dettagliata per la degradazione delle plastiche. L'attendibilità e l'accuratezza del modello sono poi verificate analizzando la gassificazione della poliammide. Vengono confrontati due possibili modelli per la descrizione dei fenomeni operativi e successivamente sono stati valutati gli effetti del diametro delle particelle e della temperatura di reazione. In particolare, un aumento del diametro porta a una minore massa evaporata mentre la temperatura non ha un impatto rilevante a causa delle ipotesi semplificative adottate. Da ultimo, il modello è stato impiegato per descrivere la gassificazione del polivinilcloruro andando ancora una volta ad analizzare gli effetti legati alla dimensione delle particelle e alla temperatura. Mentre l'effetto del diametro è il medesimo del caso della poliammide, il contributo evaporativo cambia a causa dell'impatto della temperatura sulla cinetica. Il modello sviluppato è quindi in grado di descrivere sistemi la cui cinetica è descritta da meccanismi di arbitraria complessità e può pertanto portare a fare un passo avanti nell'ambito del design e dell'analisi computazionale di gassificatori a letto fluido.