Impianti e macchine per la separazione

Impianti e macchine per la separazione

Spesso capita di dover separare delle componenti rispetto ad altre, per esempio separare due liquidi immiscibili o un liquido e un solido, oppure nel caso dell’olio separare una componente solida da due componenti liquide.

Questo può avvenire in vari modi.

Nel settore alimentare non dobbiamo pensare ai processi di sedimentazione quando pensiamo al prodotto ma anche per ciò che riguarda gli scarti di lavorazione o i residui, per esempio a valle dell’olio otteniamo acqua di vegetazione e sansa. Le acque di vegetazione non sono smaltibili nei sistemi fognari perché hanno valori di COD e BOD elevati e quindi è necessario effettuare un post-trattamento finalizzato anche al recupero di componenti bioattive.

Le operazioni di separazione possono essere classificate in 4 gruppi:

• Sedimentazione: attraverso un processo di natura gravitazionale; è la gravità che porta a separare componenti di densità diversa.
• Separazione centrifuga: il principio di attività è quello di usare la forza centrifuga per velocizzare i processi di sedimentazione; al posto della forza di gravità si usa la forza centrifuga.
• Filtrazione: separazione solido liquido che si ottiene attraverso l’inserzione forzata e l’attraversamento di una soluzione che contiene solidi e liquidi attraverso una membrana porosa.
• Setacciatura: utilizzata per separare granuli di dimensioni diverse all’interno di una miscela che può essere omogenea. Ad esempio, se vogliamo separare componenti di dimensioni diverse all’interno della stessa miscela posso effettuarlo tramite setacciatura (farina, caffè, zucchero).

Si ottiene attraverso una maglia posta in vibrazione quindi tutto ciò che sta sopra viene fatto vibrare e quello che è più piccolo della maglia passa mentre tutto quello che è più grande rimane sopra.

Sedimentazione

Abbiamo due liquidi immiscibili oppure un liquido e un solido di densità differente, se la densità è la stessa il processo non funziona.

Sotto l’azione della forza di gravità avviene una stratificazione con il più pesante che tende a stratificare sotto il più leggero.

I processi di sedimentazione avvengono in maniera molto lenta.

Esempio sedimentazione dell’acqua e dell’olio: prima dell’avvento delle centrifughe all’interno dei frantoi l’olio veniva prodotto prima attraverso la macinazione con delle molazze in pietra, dopodiché la pasta di oliva veniva mandata all’interno di una gramola, che era un miscelatore, permettendo alle gocce di olio di agglomerare tra loro e creare gocce più consistenti/grosse, e dopo la pasta veniva messa all’interno di una pressa meccanica costituita da una serie di dischi in canapa e tra un disco e l’altro veniva messa la pasta di oliva, c’era una forza tramite una vite che premeva da sopra, e c’erano delle griglie che facevano uscire soltanto la miscela acqua olio.

Questa miscela veniva mandata in una vasca di decantazione o sedimentazione dove avveniva la separazione dell’acqua e dell’olio, ma poiché la densità dell’acqua e dell’olio sono abbastanza simili, una è 0,9 e l’altra 1, l’olio piano piano si portava verso l’alto (l’olio è più leggero dell’acqua). All’interno della vasca si doveva mettere molto lentamente la miscela perché se si mette in maniera troppo violenta il getto avrebbe provocato il rimescolamento del tutto. Quindi è un processo lento che però viene fatto lo stesso.

Caratteristiche delle particelle e del fluido

Nelle vasche di sedimentazione il tutto avviene sottoforma di forze che agiscono sulle particelle.

Le caratteristiche importanti delle particelle sono: la forma, le dimensioni e la densità.

Per quanto riguarda il fluido in cui sono immerse le particelle, le caratteristiche importanti sono la viscosità e la densità.

Se abbiamo olio in un fluido viscoso ci metterà più tempo a separarsi perché le forze intermolecolari tenderanno a bloccare e a mantenere all’interno della soluzione le particelle d’olio.

Forze che agiscono su una particella immersa in una vasca

Le forze che agiscono sulla particella sono le forze esterne, ⃗ che sono dovute alla presenza di gravità (z).

All’interno invece ci sono due forze, una diretta verso il basso che è la forza peso ⃗P ⃗=Vρ ⃗,⃗ ⃗ = m e una diretta g p pg verso l’alto, che è la spinta di Archimede ⃗.⃗ ⃗= m = Vρa f f.

La densità è molto bassa e per questo la forza di Archimede tende a portare in galleggiamento la componente più leggera. Se per esempio mettiamo una biglia dentro l’acqua, poiché la densità del vetro è maggiore di quella dell’acqua, la biglia va sul fondo.

Oltre alle forze esterne che agiscono sul volume, esiste una forza di resistenza aerodinamica che è legata alla superficie, ovvero è una forza data dalla pressione del fluido che viene esercitata su un’area, detta sezione utile, che è l’area di proiezione della particella rispetto alla direzione di avanzamento.

Se abbiamo una particella di forma sferica e la direzione di avanzamento è verso il basso, la forza aerodinamica interessa la sezione utile che è la sezione normale massima della particella rispetto la direzione di avanzamento, è la sezione che si ottiene facendo un taglio lungo il diametro massimo in direzione normale alla direzione di avanzamento. Il piano è perpendicolare alla direzione di avanzamento. 2r²= A= 4.

Questa forza aerodinamica si oppone allo spostamento, immaginando che la particella tende a scendere perché ha una densità maggiore dell’acqua, si aggancia alla spinta di Archimede e va verso l’alto.

Questa forza dipende dalla sezione utile, dalla densità del fluido, da un coefficiente di resistenza aerodinamica (C) che dipende dalla forma e dalla velocità, perché la D velocità determina se ci troviamo in regime laminare o turbolento, e poi è proporzionale al quadrato della velocità diviso 2.

v-> velocità di avanzamento

Al tempo zero non si ha questa forza, dopodiché a causa dello sbilanciamento delle forze di massa (forza di gravità e spinta di Archimede) la particella prenderà una direzione verso l’alto oppure verso il basso, immediatamente in direzione opposta si attiva la forza di resistenza aerodinamica.

Questa forza man mano che la velocità aumenta (la velocità aumenta nel tempo perché una volta che ho un sistema di forze quando ho un’accelerazione automaticamente abbiamo una velocità che varia nel tempo) aumenta anche la forza di resistenza aerodinamica finché a un certo punto la forza di resistenza aerodinamica che va sommata alle forze di massa tenderà a bilanciare tutto il sistema e a quel punto si avrà che la sommatoria delle forze che agiscono sarà pari a zero e quindi per le leggi della dinamica sappiamo che un corpo soggetto a un sistema di forze in cui la risultante è nulla permane nello stato di quiete o se è in movimento permane nel suo movimento con un moto rettilineo uniforme, quindi quando si annullano tutte le accelerazioni c’è un equilibrio e il corpo continua a spostarsi con velocità costante.

Velocità limite e legge di Stokes

Al fine di trovare una relazione per calcolare la velocità limite dobbiamo dare un valore al volume che sarà pari a V = 3, deve esserci una lunghezza lineare al cubo 6 perché il volume si calcola in metri cubi.

La sezione normale è A = 2 e quindi possiamo scrivere che: 4.

Questa relazione si ha all’equilibrio.

Nel caso di fluido laminare e del moto relativo a una sfera, il coefficiente di resistenza aerodinamica (C) si può esprimere come D.

Quando (CD) lo andiamo a sostituire nell’equazione precedente: semplificando otteniamo che una velocità limite che è pari a:

Particelle più grandi tenderanno ad avere una velocità limite maggiore a parità di densità, viceversa se il fluido è viscoso, la viscosità è elevata e la velocità limite è più bassa e le particelle avranno bisogno di un tempo maggiore per arrivare da una certa altezza fino sul fondo.

Quindi quando si fa il dimensionamento di una vasca di decantazione si deve tener conto di tutte queste variabili.

Questa velocità ci dice quanto tempo occorre per una particella per scendere e in base a questo avremo i tempi di accumulo e anche il tempo richiesto per inserire all’intero di una vasca data la quantità da trattare oppure data la quantità da trattare in una certa unità di tempo o si fa un accumulo da qualche parte se non si ha la possibilità di fare una vasca grande, oppure se non si può accumulare perché le quantità sono elevate a quel punto si va a dimensionare la vasca di decantazione tenendo conto delle quantità che devono essere trattate con ad esempio la portata oraria. Questa velocità è detta velocità limite ed è chiamata legge di Stokes.

È importante perché ci dà il tempo necessario per il processo di decantazione.

È un processo lento ma si utilizza ancora perché quando si hanno grosse quantità da trattare, se si trattano con le centrifughe il costo è elevatissimo perché le centrifughe richiedono un motore che fa girare tutte le componenti interne ad alta velocità e quindi ha un costo energetico elevato, viceversa nel caso della sedimentazione che usa la gravità si deve solo attendere, il grosso dell’impianto è la vasca dove deve avvenire il processo di decantazione.

Le vasche di decantazione sono poco costose se comparate con le centrifughe. Le centrifughe però sono più efficienti e quindi se le quantità sono piccole proprio per garantire una portata di processo elevata si utilizzano le centrifughe.

Questa formula l’abbiamo vista quando abbiamo parlato delle polveri ed è stata utilizzata in uno dei meccanismi di separazione, ci dice che le particelle quando entrano in un serbatoio tendono a separare a parità di densità. Le particelle hanno una velocità che poi gli dà la lunghezza di percorrenza che è funzione del quadrato del diametro e quindi le particelle più grandi hanno una velocità limite maggiore e quindi percorrono distanze maggiori e avviene una separazione granulometrica che è funzione del diametro.

Applicazione della legge di Stokes

La legge di Stoke si applica solo al caso laminare che per una sfera definiamo quando il Re < 2, nel caso di una tubazione Re<2100 e questo vuol dire che il numero di Re critico, cioè quello che definisce la separazione tra moto laminare, transizionale o turbolento, dipende dalla configurazione del problema. Diverso è per una tubazione rispetto a un oggetto che si muove in campo aperto di forma sferica, se fosse un cubo sarebbe ancora diverso. Questa legge di Stokes si applica con numeri di Re estremamente bassi, particelle la cui forma può essere assimilabile a una sfera e nei casi in cui il riempimento avviene liberamente, cioè nei casi in cui il moto della particella non è influenzato dal moto delle altre.

Man mano che si introduce la miscela questa incontra il moto delle particelle più leggere che se ne vanno verso l’alto, questo provoca un gioco di scie tra una particella e un’altra perché il campo di moto è perturbato a valle della sfera che si muove che sale o scende e questo richiede delle cautele per inserire all’interno il fluido che deve essere processato.

Nel caso di sospensioni concentrate proprio per questi effetti di scia, le particelle interagiscono l’una con l’altra e la velocità dipende dalle dimensioni delle particelle; se abbiamo particelle di dimensioni diverse, queste saliranno o scenderanno con velocità diverse e questo fa sì che particelle più grandi andranno a colpire particelle di diametri più piccoli e questo causa un moto di interferenza che rende più incerta l’applicazione della legge di Stokes.

Quando il diametro tra la particella più grande e quella minima è nell’ambito del 10 a 1, cioè se si prendono le particelle più piccole e quelle più grandi al massimo il rapporto è 10, possiamo ipotizzare che tutte quante si depositano alla stessa velocità.

In molti casi quando la legge di Stokes non è valida perché non rientriamo in queste condizioni, si fa una piccola sperimentazione su un campione.

Vasca di separazione

Vasca di separazione: è composta dal serbatoio esterno, da un rastrello posizionato sul fondo.

Il fondo della vasca è inclinato perché in questo modo quando le particelle si depositano sul fondo tendono a scorrere verso il centro; lo scorrimento viene aiutato dal rastrello che si muove e che tende a spostare le particelle per evitare che per attrito statico tendano a bloccarsi sul fondo, invece quando il r