SEPARAZIONE SOLIDO-LIQUIDO: - SEDIMENTAZIONE – FILTRAZIONE – CENTRIFUGAZIONE APPUNTI SCHEMI ESERCIZI vers#2 - Prof.A.Tonini – www.andytonini.com 1 – PROCESSO DI SEDIMENTAZIONE Lo studio dei solidi immersi in liquidi fermi è alla base di un metodo di separazione solido liquido: la sedimentazione; questa tecnica è basata sul fatto che solidi di opportune dimensioni e di peso specifico maggiore di quello del liquido in cui sono immersi, si muovono verso il basso. teoria: moto di una particella immersa in un liquido (sedimentazione indipendente) Nell’istante iniziale, a particella ferma, agiscono su di essa la forza peso FP e la spinta FS di Archimede; all’equilibrio: forza risultante R= FP – FS = VP (γγP - γL ) [ con P= mPg = γP VP ; S= mP g = γL VP e p=particella solida;L=liquido] Quando il peso specifico della particella e del liquido sono uguali la forza peso è uguale alla forza di Archimede, la particella galleggia; la particella comincia a scendere, se γP (del solido) > γL, e a salire se γP < γL. Studiando il caso γP > γL notiamo che la particella assumerà inizialmente una certa accelerazione verso il basso in cui si contrapporrà una forza di attrito A diretta in senso opposto; la forza d’attrito è variabile, perché dipende dalla velocità, ed essendo il moto accelerato, la forza aumenta tendendo così ed equilibrare la forza peso..; dopo un certo tempo la forza d’attrito sarà aumentata al punto che la somma vettoriale delle forze risulterà zero; in queste condizioni l’accelerazione sarà zero e la velocità costante: questa è velocità di sedimentazione. Considerando l’attrito costante, dal bilancio di equilibrio delle forze risulta (condizioni ideali di moto e di materiali) la Legge Stokes della velocità di sedimentazione (liquido in quiete): moto laminare: v = k r2 (γP - γL )/ µL; moto turbol.: v = k √[r (γP - γL )/ γL] (La forza di attrito ha formula:Fattr= k SupP ρ v2/2 ) N.B.: la velocità di sedimentazione aumenta con l’aumentare della densità (peso specifico) del solido e delle dimensioni della particella e diminuisce all’aumentare della viscosità e della densità del liquido. Le particelle presenti in sospensione possono influenzare ed ostacolare il moto delle particelle circostanti. Possiamo distinguere due meccanismi di sedimentazione: o Sedimentazione indipendente: quando il moto di una particella non è influenzato dalla presenza di altre particelle e la velocità di sedimentazione a regime è calcolabile imponendo l’equilibrio delle forze agenti (eq.Stokes). o Sedimentazione di massa: avviene quando, a causa dell’elevata concentrazione o della natura dei solidi, l’interazione tra le varie particelle è tale da non potere più associare ad ogni particella di solido una propria velocità di sedimentazione. In questo caso è possibile calcolare la velocità di sedimentazione di tutta la sospensione solo tramite una prova sperimentale. GRAFICO SPERIMENTALE (in situazione di quiete, sedimentazione di massa.): Si procede, ponendo una certa quantità di liquido in un cilindro di vetro, inizialmente la sospensione presenterà una concentrazione omogenea di solidi su tutta l’altezza, dopo un certo tempo, in seguito alla sedimentazione dei solidi, si distingueranno tre fasi: • Una fase limpida sovrastante (CHIARA C) • Una fase torbida intermedia (TORBIDA T) • Una fase concentrata sul fondo del cilindro (MELMA M) Nel tempo l’altezza dell’interfase tra la fase limpida e quella torbida si andrà spostando verso il basso, mentre il livello della fase più concentrata si sposterà verso l’alto. Riportando in un asse cartesiano il tempo t e l’altezza dell’interfase h, si otterrà una curva che per il primo tratto avrà andamento rettilineo, per poi appiattirsi. Il tempo di sedimentazione sarà t SED=t3; la velocità di sedimentazione sarà v SED =(h0-h3)/(t3-t0); per tener conto di una condizione di moto nella sedimentazione si dovranno aumentare questi valori di circa il 30%. N.B.: I solidi di natura fioccosa sedimentano generalmente con meccanismo di massa, mentre quelli di natura granulare con meccanismo indipendente. Si definisce inoltre tempo di ritenzione il tempo che, in situazione dinamica, una particella rimane nella vasca di sedimentazione prima di uscirne; tRIT= Vol/Q ( con Q portata, m3/h; Vol volume della vasca,m3); si definisce velocità di deflusso il rapporto tra portata e sezione di deflusso della vasca vDEF= Q/Sez. →AVREMO SEDIMENTAZIONE se: t SED < tRIT e anche vDEF< v SED. ANNOTAZIONI: - temperatura: nel periodo invernale con il diminuire della temperatura aumenta la viscosità µ del fluido e quindi la particella incontra maggiore resistenza con l’effetto di ridurre la velocità di sedimentazione. - Velocità di sedimentazione e tempi di deposito di particelle indisciolte in acqua a 10°C: Prof.A.Tonini -Le particelle di tipo fioccoso interferiscono fra loro, vale a dire che nella fase discendente si uniscono le une con le altre (flocculano) e conseguentemente aumentano la loro massa precipitando con una velocità crescente; per questa ragione, quanto più lungo sarà il tempo di contatto, tanto maggiore sarà l’efficacia del trattamento di sedimentazione. [→ESERCIZI DI SEDIMENTAZIONE: VEDI APPENDICE] DIAMETRO VELOCITÀ DI TEMPO DI DEPOSITO a 2 DELLE COSTITUZIONE SEDIMENTAZIONE m di profondità PARTICELLE (m/h) Ghiaietto 3600 2 sec. 0,1 1 Sabbia di Filtri 360 20 sec. 0,01 Sabbia fine 36 ~3 min. 0,004 Sabbia fluida 7,5 ~16 min. 0,0015 Fiocchi di Al(OH)3 0,54 4 ore TRATTAMENTO DI TORBIDE E CHIARIFLOCCULAZIONE (precipitazione chimica) ELIMINAZIONE DEI SOLIDI SOSPESI FINISSIMI E COLLOIDALI: la rimozione dei solidi sospesi (dimensioni superiori a 0,45 μm ) è sempre il primo stadio di qualunque ciclo di trattamento. I solidi sospesi possono essere distinti in solidi sedimentabili (posto 1 dm3 in un cono imhoff, raggiungono il fondo entro 2 ore), in solidi sedimentabili finissimi e colloidali (tempi di sedim.molto grandi, Φ=1μm→vSEDIM=3mm/s) e non sedimentabili. Le apparecchiature utilizzate sono i sedimentatori e i filtri a sabbia, in pressione o sotto vuoto. Sedimentazione di solidi colloidali I colloidi si distinguono in colloidi idrofili (di origine organica, ac.umici,alghe...,sostanze con gruppi –OH,-COOH,-NH2, che assorbono in superficie uno strato di H2O) e idrofobi (di natura inorganica,argille,silicati..., presentano un’interfaccia più netta). L’aspetto caratterizzante dei colloidi è la repulsione elettrostatica che si esercita a breve distanza tra le varie particelle, per opera di cariche disposte sulla superficie: la repulsione impedisce la collisione tra le particelle e la conseguente formazione di aggregati più voluminosi, e quindi più facilmente sedimentabili. Come si vede in fig.,sulla superficie vengono attratti gli ioni opposti presenti nell’acqua; quindi nel caso di cariche negative sulla superficie si contrapporrà uno strato di cariche positive a diretto contatto con quelle negative; questo strato formato si chiama “strato di Stern”; oltre questo strato si distingue un altro dove concentrazione degli ioni positivi è prevalente. Il valore del potenziale elettrico dello strato di Stern è detto potenziale Zeta. L’avvicinamento di più particelle di colloidi, quindi una minor repulsione fino ad annullamento, sarà possibile abbassando questo potenziale: si usano per questo agenti di coagulazione a base di ioni Al3+ e Fe3+, ioni relativamente piccoli ma con grande carica, che hanno effetto di eliminare le repulsioni e facilitare l’aggregazione. legenda potenziali di particella: N:potenziale Nernst Z:pot.Z del doppio strato D:doppio strato;d:strato Stern S:strato Stern Z*:pot.in presenza agenti coagul. CHIARIFLOCCULAZIONE L’eliminazione dei solidi finissimi e colloidali avviene in tempi industrialmente accettabili, mediante un trattamento con aggiunta di sostanze chimiche in 3 fasi: 1 - COAGULAZIONE: sfrutta l’azione di sostanze, dette coagulanti, di natura inorganica; vengono destabilizzate le piccole particelle caricate e i colloidi rendendo possibile la formazione di agglomerati. I meccanismi in cui avviene la destabilizzazione sono diversi in funzione del pH; a pH acidi (o comunque quando in soluzione abbiamo i cationi) il meccanismo è la neutralizzazione di carica; azione: - abbassare i valori di potenziale elettrico (Z) in prossimità della superficie del colloide (destabilizzazione); - idrolisi dei sali di Al3+ e Fe3+, con formazione di ioni polinucleari; - formazione di precipitati fioccosi di Al(OH)3 e Fe(OH)3, che sfruttano come centri di nucleazione particelle colloidali in sospensione, con crescita di un precipitato amorfo in cui le particelle colloidali rimangono intrappolate. Maggiore sarà la concentrazione di sali, maggiore sarà l’effetto schermante. agenti di coagulazione: sali di Fe (pH 4↔9) e Al (pH 5↔8) come FeCl3, Al2(SO4)3 (ioni con ridotto raggio ionico con carica elevata), PAC,.... modalità: agitazione rapida, per circa 5 minuti (per favorire la dispersione dell’agente). 2 - FLOCCULAZIONE: gli aggregati continuano ad ingrossarsi fino a diventare sedimentabili; agenti di flocculazione: PAC (policloruro, [AlN(OH)MCl3N-M]X); polielettroliti organici (macromolecole organiche ottenute per processi di polimerizzazione:PAAmmidi (non-ion.), Pacrilici (anion.), Poliammine (cation.)). Le loro dimensioni sono paragonabili ai colloidi in sospensione; il funzionamento prevede che le catene polimeriche vengano inizialmente adsorbite sulla superficie delle particelle solide, creando dei ponti tra le particelle; maggiore è il peso molecolare del polimero maggiore sarà la capacità legante. (Accorgimenti per la scelta del polielettrolita: quando i polielettroliti vengono usati da soli è preferibile usare polielettroliti cationici; se l’acqua è già stata trattata con coagulanti organici, è preferibile usare polielettroliti anionici) modalità: agitazione lenta, per circa 15 minuti (favorire l’accrescimento dei fiocchi). Prof.A.Tonini 3 - SEDIMENTAZIONE: prevalgono le forze di gravità, i fiocchi sedimentano in circa 2-4 ore, in condizioni di calma; il liquido surnatante esce dalle canalette in superficie APPARECCHI SEDIMENTATORI I sedimentatori sono le apparecchiature utilizzate nella separazione dei solidi da una corrente liquida per sedimentazione. La frazione di solidi separati è costituita da solidi sedimentabili. I campi di applicazione sono: il trattamento delle acque grezze e delle acque di depurazione. A - SEDIMENTATORE CIRCOLARE tipo DORR (vascha a flusso radiale, per medio grandi impianti) È un sedimentatore di forma circolare. La torbida viene immessa al centro dell’apparecchiatura in un cassone di forma cilindrica di sezione piccola; in questo modo l’acqua acquista velocità diretta verso il basso, trascinando con sé i solidi in essa contenuti. Superato il cassonetto cilindrico l’acqua cambia direzione e riduce drasticamente la sua velocità. In questo modo i solidi di maggiore dimensione, dotati di una certa inerzia, non cambiano direzione con l’acqua ma proseguono verso il fondo. Gli altri solidi continuavano a sedimentare, agevolati dalla bassa velocità di trascinamento dell’acqua. L’acqua chiarificata raggiunge quindi la periferia del sedimentatore da dove esce per troppo pieno, tramite un apposita canaletta di raccolta. I solidi sono raccolti sul fondo con un sistema di pale raschia fanghi collegate ad un carro-ponte che, fissato al centro dell’apparecchiatura, gira sul bordo della vasca trascinato da un motore elettrico; lo strato di fanghi deve poi essere smaltito. La particolare angolazione delle pale permette ai fanghi di spostarsi verso il centro ove è presente una tramoggia di scarico. Questo sedimentatore può essere munito di un sistema per la raccolta dei materiali galleggianti. In tal caso il carro-ponte trascina anche una lama paraschiume, che convoglia le schiume e gli oli verso un apposito punto di smaltimento. B - SEDIMENTATORE LONGITUDINALE tipo KREMER (vascha a flusso orizzontale, per medio grandi impianti, spazi limitati) L’ingresso della torbida T avviene in maniera uniforme lungo il lato più corto. In alcuni tipi è presente un deflettore, che serve a impartire un’elevata velocità di trascinamento diretta verso il basso. Superato il deflettore il liquido cambia direzione mentre i solidi di maggiori dimensioni proseguono la loro discesa verso il basso e si raccolgono nella tramoggia di scarico dei fanghi F. Successivamente si ha la sedimentazione dei solidi di minori dimensioni. Il sedimentatore è dotato di un carro-ponte che trascina un sistema di raschia-fanghi che convogliano i fanghi verso la tramoggia. Il carro-ponte può essere munito di lame paraschiume. L’acqua chiarificata C raggiunge quindi la parte opposta del sedimentatore da dove esce per troppo pieno, tramite un apposita canaletta. C - SEDIMENTATORE VERTICALE tipo DORTHMUND Questo tipo di vasche è preferibile, data la sua semplicità, nei piccoli impianti e per scarsa disponibilità di spazio; si presta bene anche per precipitati fioccosi, che si separano più facilmente causa inversione in verticale del flusso. L’immissione del liquame avviene dal centro della vasca, generalmente attraverso una tubazione piegata verso l’alto che sfocia in vicinanza del pelo libero; un deflettore cilindrico, disposto attorno al punto di sbocco, devia il flusso verso il basso. Il liquame raggiunge quindi l’estremità inferiore del deflettore ed entra nella zona di sedimentazione, dopo di che inizia a risalire verso l’alto per raggiungere la canaletta di sfioro della chiara C posta nella zona periferica; la particolarità del funzionamento di tale vasca consiste nel fenomeno di continuo appesantimento dei fanghi che si genera nel movimento iniziale diretto verso il basso e raggiungendo il massimo nella zona sottostante al deflettore, ricca di particelle fini in sospensione. D - ISPESSITORE L’ispessitore è un decantatore che si usa per trattare i fanghi estratti dal fondo delle apparecchiature di un impianto di trattamento fanghi, per esempio i sedimentatori, per aumentarne la loro concentrazione. Un sistema a pale in lenta rotazione viene periodicamente attivato per facilitare la separazione tra l’acqua e gli aggregati fangosi (vedi depurazione acque – parte 4). APPARECCHIATURE di CHIARIFLOCCULAZIONE: a)-a vasche separate - Da un punto di vista impiantistico le prime due fasi avvengono all’interno di un miscelatore se la portata da trattare non è eccessiva, oppure in un miscelatore e in una vasca di coagulazione in cui si fornisce il tempo sufficiente a far maturare il fiocco. All’interno del miscelatore viene effettuato anche il dosaggio dei reagenti. Prof.A.Tonini La fase finale avviene in parte durante la coagulazione, in parte durante la sedimentazione, in cui avviene anche la separazione delle sostanze inquinati dal corpo veicolante. Essenziali sono il giusto valore del pH e la temperatura, il cui aumento favorisce la coagulazione, sia per ragioni cinetiche, sia perché fa diminuire la viscosità e la densità della soluzione. b)-a vasca unica: accelator - È un’apparecchiatura a pianta circolare, suddivisa in tre zone: una centrale (6), dove entra l’acqua da trattare (1) e i reagenti, coagulanti; un’altra centrale (4 – 5) dove entrano i polielettroliti (e calce per il pH); la zona esterna (7 – 9), dove lo stato di relativa calma dell’acqua, che si muove verso l’uscita a velocità sempre più bassa, consente la sedimentazione dei solidi. L’acqua chiarificata esce dalle canale superiori (2), il fango da (10), una parte riciclato (8) per accellerare il processo. L’efficienza di questo apparecchio non è del 100 %, quindi dopo il trattamento dovrà seguire la filtrazione. c)-vasca Pulsator: vedi documento trattamenti acque – parte2 ------------------------------------2 – PROCESSO DI FILTRAZIONE Per l’eliminazione dei solidi fini e finissimi si usano i filtri, questi funzionano facendo passare la corrente liquida attraverso un mezzo filtrante che trattiene i solidi. Il mezzo filtrante può essere costituito da un letto di sabbia, da tela o da altri materiali porosi. Durante la filtrazione si andrà accumulando uno strato di solidi trattenuti, chiamato pannello o torta. teoria – Il moto di un liquido attraverso mezzo filtrante, sia esso un solido granulare che un tessuto, comporta delle perdite di carico e quindi una caduta di pressione tra i due lati del filtro; inoltre le perdite di carico aumentano all’aumentare dello spessore del solido trattenuto. La portata di filtrazione risulta: Q = k ∆p /R (m3/h) ∆P indica la differenza di pressione tra monte e valle del filtro,R la resistenza alla filtrazione, k costante del processo. La resistenza è data da R = k’s/ Sup (con s=spessore torta; Sup=superficie del mezzo filtrante; k’=cost. che dipende dalla forma e tipo di particelle filtrate): essa aumenta nel tempo, all’aumentare di s. Il pannello che si accumula sui mezzi filtranti può essere incomprimibile, generalmente particelle granulari (caso 1), o comprimibile (caso 2), generalmente particelle fioccose (Me(OH)3); il secondo tipo da’ resistenze maggiori a parità di spessore. La portata che può essere trattata dipende quindi dalla differenza di pressione e dalla resistenza del mezzo; poiché la resistenza aumenta durante il funzionamento, si avranno tre metodi di filtrazione: 2.1- a ΔP costante= FILTRAZIONE A GRAVITA’ 2.2- a Q costante, aumentando p1 all’aumentare di R = FILTRAZIONE IN PRESSIONE; 2.3- a Q costante, diminuendo p2 all’aumentare di R = FILTRAZIONE SOTTO VUOTO; 2.1 - FILTRAZIONE A GRAVITA’ FILTRI A SABBIA – A GRAVITÀ: Nei filtri a gravità la forza necessaria per vincere la resistenza opposta dallo strato filtrante al passaggio del liquido è fornita dalla gravità naturale; sono filtri discontinui che utilizzano come mezzo filtrante un letto di sabbia e ghiaia, per un’altezza di circa un metro, posto su una griglia in un contenitore, p.es.vasca in cemento, nel caso dei filtri a gravità, o da un serbatoio metallico ( nel caso anche di filtri a pressione – vedi oltre); particelle molto inferiori alla sabbia vengono trattenute dal filtro a causa di vari fenomeni (attrazione elettrostatica, forze di Van der Waals, mutuo assorbimento, ecc.). Caratteristiche: filtri rapidi altezza letto ≅1 m, vel.≅5-12 m/h. L’acqua da trattare viene immessa sulla superficie del filtro ed attraversa lo strato di sabbia ( CASO 1 fig.) che trattiene le particelle solide contenute nell’acqua; l’acqua, nell’attraversamento del filtro, subisce delle perdite di carico che comportano l’intasamento progressivo del filtro, perciò periodicamente bisogna effettuare una fase di lavaggio del filtro (CASO 2), effettuata con una controcorrente di aria compressa e di acqua che risale dal fondo del filtro verso la superficie; l’aria espande il letto filtrante e rimescola la sabbia con le particelle solide; queste vengono trascinate dall’acqua di lavaggio. Il lavaggio viene ultimato con una fase di controlavaggio con acqua, durante il quale i grani di sabbia possono nuovamente stratificare in base alla dimensioni; quelle più grandi, di maggiore velocità di sedimentazione, andranno sul fondo seguite da quelle di dimensioni sempre più ridotte.Durante il funzionamento si cerca sempre di mantenere la portata in uscita costante con l’ausilio di un sistema di regolazione a sifone. Prof.A.Tonini I filtri a gravità seguono altri trattamenti quali la sedimentazione, senza il quale il letto di sabbia si intaserebbe. Le due apparecchiature sedimentatore e filtro, costituiscono un trattamento completo per l’eliminazione di solidi sospesi, sono molto utilizzati per il trattamento delle acque grezze. Questi filtri presentano un consumo molto limitato di energia e vengono utilizzati per trattare grandi portate di liquido contenenti una limitata quantità di solidi che non devono essere recuperati. 2.2 - FILTRAZIONE IN PRESSIONE Sono apparecchiature usate per la disidratazione dei fanghi e torbide dense; cioè la separazione di una ulteriore quantità d’acqua con il risultato di rendere i fanghi più asciutti e più facilmente smaltibili. FILTRO PRESSA Nelle filtro-presse la separazione avviene grazie ad una tela filtrante disposta su una serie di telai, schiacciati tra di loro e alternati ingresso e uscita, con dei fori posti in maniera tale che, accostandoli gli uni agli altri, si forma un condotto attraverso cui viene introdotta l’alimentazione torbida (T); essa in pressione attraversa le tele, depositandovi il solido, e esce dai telai filtrata (C). Questo filtro è discontinuo; quando la pressione della pompa, che cresce per contrastare l’effetto della crescita del pannello di solido, raggiunge il massimo (p.es.circa 25 bar), il filtro deve essere posto in pulizia e escluso dalla linea di alimentazione. La pulizia si esegue separando i telai tra loro e facendo cadere la torta solida, lavando quindi le tele e ripressando i telai fra loro; il solido ottenuto ha contenuto in acqua non meno del 50%, comunque facilmente smaltibile. NASTRO PRESSA La nastro pressa è un’apparecchiatura che lavora in continuo costituita da due bande di tela filtrante messe in moto da una serie di rulli. La distanza tra le due serie di rulli si va sempre riducendo, in modo da obbligare la torbida T ad attraversare la tela filtrante. Alla fine del processo il solido F cade aiutato da una speciale lama e viene successivamente raccolto, con contenuto in acqua non meno del 70%, e smaltito, le acque eliminate a parte (inquinate). FILTRO A PRESSIONE Il mezzo filtrante è sempre sabbia di varia granulometria, contenuta in un recipiente chiuso. Il liquido viene alimentato a pressione sotto la spinta di pompe centrifughe, pompe a diaframma o a vite, a seconda della quantità di solidi. Il funzionamento è analogo a quello dei filtri a gravità, quindi discontinuo. Caratteristiche: basse portate; usi industriali; Altri filtri a pressione: F.KELLY; F.a CANDELA. 2.3 - FILTRAZIONE SOTTO VUOTO FILTRO OLIVER - È un filtro continuo che lavora sotto vuoto. Il filtro è costituito da un tamburo rotante forato che fa da supporto ad una tela filtrante, parzialmente immerso nella torbida da filtrare. Il tamburo è suddiviso in un certo numero di scomparti che, grazie ad un particolare sistema di aspirazione, vengono posti in depressione o in pressione in base alla posizione in cui si vengono a trovare durante la rotazione. Il sistema di distribuzione è costituito da due dischi: - Il disco sul tamburo, dove arrivano i condotti di collegamento dei vari scomparti. - Il disco interno fisso, suddiviso in settori (V) in depressione e (P) in pressione. Durante la rotazione gli scomparti del tamburo vengono inizialmente a contatto con la torbida. In questa fase i condotti dei vari scomparti sono in comunicazione con il settore V del disco: gli scomparti si vengono così a trovare in depressione, per cui la torbida aderisce sulla tela che viene attraversata dalla torbida; successivamente il pannello formatosi sul tamburo viene sottoposto a lavaggio. L’acqua di lavaggio viene aspirata attraverso la tela e successivamente smaltita. Infine, quando gli scomparti si trovano in comunicazione con il settore P in pressione, il pannello viene sollevato e asciugato da un flusso di aria compressa, e aiutato da un’apposita lama, si distacca dalla tela. Il solido ha contenuto in acqua non meno del 70%, e può essere facilmente smaltito. Svantaggi: scarso lavaggio torta solida; superficie filtrante limitata. [vedi SCHEMA DI DISEGNO più avanti] Prof.A.Tonini ALTRI APPARECCHI FILTRAZIONE SOTTO VUOTO: filtro Moore a Foglia filtri rotativi A DISCHI piatti nastrovuoto DISEGNO DI IMPIANTO FILTRO OLIVER LEGENDA: 1 TORBIDA 2 SOLIDO FILTRATO 3 LIQUIDO FILTRATO AD ACQUA DI LAVAGGIO B ARIA D1 SERBATOIO TORBIDA G1 POMPA ROTATIVA F1 FILTRO OLIVER S.V. P1 COMPRESSORE ARIA T1 TRASPORTATORE SOLIDO D2 SERBATOIO LIQUIDO FILTRATO S.V. G2,3 POMPE ALTERNATIVE D3 D4 D5 P2 SERBATOIO LIQUIDO FILTRATO SERBATOIO ACQUE DI LAVAGGIO S.V. SERBATOIO BAROMETRICO POMPA AD ANELLO LIQUIDO PER SERVIZIO VUOTO Prof.A.Tonini -------------------------------------------3 – PROCESSO DI CENTRIFUGAZIONE Teoria - Permette separazioni più spinte e più veloci, con solido finale più asciutto; usato per torbide dense, per fanghi da impianti di depurazione e processi chimici vari. Se poniamo il sistema da quiete (STATO 1) in rotazione, alle forze presenti (P peso, S spinta Archim.) si aggiungerà un’altra: la forza centrifuga F. In un campo di forze centrifughe, il sistema modifica l’assetto (STATO 2), e per alte velocità di rotazione (STATO 3) il sistema si dispone in direzione ortogonale alla forza centrifuga, generalmente di gran lunga superiore alla forza peso (anche 10000 volte); ciò determina tempi di separazione dei solidi molto inferiori a quelli della sedimentazione e della filtrazione. P = mg= γPVol; S = γLVol; Fc = mω2/r (con ω= 2 π n/60; n = n°giri o rpm) La forza risultante della separazione risulta quindi R = Fc – S = k ∆γ π2 r n2 Quindi la separazione dipende dal diametro e dal quadrato della vel.rotazione (n° di giri n). Limiti: non si può aumentare molto il raggio r della centrifuga nè il n°giri (influenza inversa, alto n°giri piccolo diametro) per motivi meccanici e di sicurezza. Esempi: A seconda delle funzioni svolte si hanno centrifughe decantatrici e c.filtranti. 3.1 centrifughe DECANTATRICI a cestello – è costituita da una tazza tronco conica in rotazione; all’interno ruota, quasi alla stessa velocità angolare una coclea. L’alimentazione avviene circa a meta della tazza e, per effetto della forza centrifuga, viene spinta verso la parete dove il liquido procede verso un’estremità ed i solidi vengono spinti dalla coclea verso l’estremità opposta. supercentrifughe centrifughe che in virtù di una elevatissima velocità di rotazione, e piccolo diametro, impartiscono accelerazioni centrifughe molto superiori a quella di gravità. Una tazza tubolare verticale è posta in rapida rotazione. Le due fasi, cominciano a risalire le pareti della tazza, con la fase solida accostata alla parete e quella liquida in posizione concentrica. Giunte all’estremità superiore le fasi escono da due diversi condotti d’uscita. a piatti (dischi) – (es: centrifuga Alfa Laval) è caratterizzata da una pila di tazze troncoconiche disposte a distanza molto ravvicinata. La distanza ravvicinata riduce la distanza di sedimentazione dei solidi che si spostano quindi nelle facce inferiori, muovendosi verso l’esterno, e i liquidi, invece, si spostano verso l’interno e verso l’alto. Esempio la centrifuga separatrice di olio/acqua/sansa nell’industria olearia. centrifughe decanter – Le centrifughe decantatrici vengono utilizzate per separare due, o più fasi, di peso specifico diverso, cioè per i processi di chiarificazione di un liquido nei quali sono presenti in sospensione dei solidi. La separazione della fase solida da quella liquida avviene all'interno di un tamburo rotante di forma cilindrica/tronco conica. Prof.A.Tonini La fase solida, più pesante, si deposita sulle pareti interne del tamburo e viene raschiata dalla coclea interna fino a farla espellere nei fori posti al termine della sezione tronco conica; per facilitare l'aggregazione del solido vengono di sovente usati dei polimeri, soprattutto nella depurazione, opportunamente selezionati a seconda del tipo di processo. In questo tipo di centrifughe, l'alimentazione della sospensione da trattare e lo scarico sia del liquido che del solido disidratato, sono continue e automatiche, per cui l'operatore non deve essere continuamente presente. Le centrifughe decantatrici, quindi, si presentano come la migliore alternativa ad altri sistemi di disidratazioni quali le Filtropresse a camera e le Filtropresse a nastro. Inoltre i decanter presentano i seguenti vantaggi: - processo in continuo - nessuna emissione di odori (carter chiuso) - elevata affidabilità e alto livello di sicurezza - bassi costi di controllo (grazie al funzionamento in automatico) - ingombri d'installazione ridotti - buoni intervalli di manutenzione. 3.2 centrifughe FILTRANTI Le centrifughe usate in alternativa al processo di filtrazione possono essere continue o discontinue, e sono dotate di paniere forato attraverso il quale fluisce il liquido: un cestello, permeabile al liquido ma non al solido, in pratica un filtro. Vi sono diversi modelli, che differiscono tra di loro per il sistema di scarico del solido e per il filtraggio, a volte con tele accoppiate al cestello forato. Le centrifughe ad asse verticale sono solitamente a funzionamento discontinuo: nel cestello è appoggiato un filtro in tela detto sacco filtrante; la torbida viene caricata in modo continuo o discontinuo e la centrifuga viene azionata per il tempo desiderato; al termine dell'operazione il sacco filtrante viene estratto ed il solido recuperato. Molto usate nell'industria farmaceutica per la possibilità di funzionamento in ambiente sterile, sono di costruzione semplice ed economica, e grazie al funzionamento discontinuo consentono operazioni ulteriori, quali l'essiccamento o il raffreddamento del prodotto recuperato. Le macchine più grandi raggiungono diametri ragguardevoli di cestello (1500 mm e oltre), ed accelerazioni ben superiori ai 1000 g. La centrifuga a sacco invertibile consente uno scarico discontinuo del panello di solido, mediante il rovesciamento del sacco filtrante, che avviene mediante l'albero centrale. Si ottiene così un ciclo comunque discontinuo, ma automatizzabile, e grazie alla disposizione orizzontale dell'asse è facilitato lo scarico convogliato di prodotti anche di scarsa scorrevolezza. Le centrifughe tipo peeler sono macchine ad asse orizzontale, si prestano anche ad uno scarico semi-continuo tramite un coltello raschiante (sifone rotante) che viene inserito in modo da togliere il prodotto senza rovesciare il filtro. In questo caso la tela è di solito metallica; la ritenzione dei solidi fini è comunque assicurata dalla presenza di un panello residuo, il cui effetto filtrante consente l'uso di tele o setacci con luci superiori al diametro delle particelle solide. Le centrifughe peeler, alquanto complesse e costose, sono di solito utilizzate per ottenere bassi valori di umidità residua e per prodotti aventi granulometria molto fine. Un vantaggio, rispetto alle centrifughe a sacco invertibile, sta nel minor tempo morto dovuto allo scarico del solido. Centrifughe continue a spinta – Sono caratterizzate da un cestello forato, con un pistone idraulico di fondo che si muove per spingere fuori il fango. Si genera così il movimento del prodotto, che viene scaricato in continuo. Sono centrifughe tipiche per il trattamento di sali (NaCl, KCl, (NH4)2SO4, Na2SO4, ecc.) o prodotti granulari con dimensione media dei grani non inferiore a 120 μm. L’umidità allo scarico è in genere molto bassa. Possibile inoltre il lavaggio del solido, in discontinuo, prima di espellerlo. Prof.A.Tonini APPENDICE: -------------------------------------ESEMPI ALTRE CENTRIFUGHE: centrifuga PEELER ↓ ↑ Il fluido denso viene inviato nel tamburo della centrifuga tramite una pompa. Sottoposto alla forza centrifuga generata dalla rotore, il fluido viene separato nelle sue diverse componenti che hanno peso specifico diverso. Le particelle solide, più pesanti, si accumulano sulle pareti del rotore. Il liquido pulito viene estratto tramite una tubazione. Quando si raggiunge una certa quantità di solidi depositati nel tamburo, viene fermato l’invio del liquido alla centrifuga e i raschiatori staccano le particelle solide dal rotore che cadono nel contenitore sottostante. Il rotore ad alta velocità garantisce elevati gradi di filtrazione ----------------------------------------------------ESERCIZI SULLA SEDIMENTAZIONE: ES.1- Determinare la velocità di sedimentazione di una particella P,note le seguenti caratteristiche: diametro D=0,02mm; ρP=1350 Kg/m3;ρL=900Kg/m3;μL=0,002Pa.s; soluzione: vLAMIN= (γP-γL)D^2/18 μ=9,8(ρP - ρL)D^2/18 μ=9,8(1350-900) (2x10-5)2/18x0,002=4,9x10-5m/s Re=ρ v D/μ= 900 4,9x10-5 2x10-5/0,002 =4,4x10-4 moto laminare! ES.2- Determinare la velocità di sedimentazione di una particella P,note le seguenti caratteristiche: diametro D=4mm; ρP=3500 Kg/m3;ρL=1000Kg/m3;μL=0,001Pa.s; soluzione: vTURBOL=1,73xRADQ[(D(ρP - ρL)9,8)/ ρL ]=1,73xRADQ[0,004(3500-1000)9,8/1000]=0,54m/s Re=ρ v D/μ=1000 0,54 0,004/0,001= 2160
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