Operazioni unitarie per i processi ambientali - parte 5

Filtrazione: un processo di separazione

La filtrazione permette di separare le particelle solide da una fase liquida o gassosa, facendo passare il fluido attraverso un filtro poroso che trattiene le particelle solide. Durante l'operazione di filtrazione, le particelle trattenute si accumulano sul mezzo filtrante, costituendo il cosiddetto "torta", che può essere compresa come il solido formabile per sé. Solitamente, un filtro è composto da una matrice di particelle formate da fibre o granuli, separati da una soluzione.

Nel processo di filtrazione, ci sono diverse fasi coinvolte:

• Fase solida: Il filtro trattiene le particelle solide.
• Fase liquida (filtrato): La fase liquida passa attraverso il filtro.
• Alimentazione: La sospensione torbida iniziale.

Tipologie di filtrazione: pressione e depressione

Filtrazione a pressione

A monte del filtro viene applicata una pressione che spinge la torbida attraverso il mezzo. La fase liquida esce a una pressione inferiore rispetto all'alimentazione.

Filtrazione a depressione

Il gradiente di pressione si ottiene generando un grado di vuoto a valle del filtro. Se si scende a un grado di vuoto tale da eguagliare la tensione di vapore del solvente, si otterranno condizioni particolari in cui l'alimentazione subisce un massimo di pressione di 1 atm.

Operazioni continue e discontinue

La filtrazione può essere eseguita in modo discontinuo o continuo:

• Discontinuo: La torbida e il filtrato vengono sospesi. Si accumula fino a raggiungere un certo livello e poi il sistema viene svuotato e riavviato.
• Continuo: La torbida viene continuamente alimentata e il filtrato rimosso, mantenendo costante lo stato del filtro.

Efficienza e cattura nella filtrazione

Una certa quantità di materiale solido rimane nella fase liquida. Il rapporto tra la quantità di materiale bloccato dal filtro e la quantità totale in ingresso definisce la percentuale di cattura.

La pressione in un filtro è definita dal grado di secchezza ottenuto. L'obiettivo è ottenere una fase solida il più secca possibile, con poco solvente liquido al suo interno. Solitamente le prestazioni di un filtro aumentano con l'aumento della pressione di esercizio.

Modellizzazione e analisi del processo

Per modellare ciò che avviene durante la filtrazione, è necessario considerare i differenziali rispetto al tempo, assicurandosi che lo stato stazionario sia mantenuto. Il processo non può essere considerato continuo se non si mantiene il requisito fondamentale per lo stato stazionario.

Il volume di portata volumetrica di torbida (constituente metrica di torbida dal liquido solvente) è rappresentato come dVT/dt (dove VT è il volume di torbida). Dal filtro esce una certa portata di filtrato, rappresentata da dV/dE.

La torbida è in parte costituita da liquido, e lo stesso vale per la torta. Le considerazioni sulla torta (L) e sulla funzione del tempo sono essenziali per il bilancio di un processo non stazionario, dove si considera anche la resistenza filtrante, generata sia dal setto poroso che dalla torta. La porosità della torta determina l'efficienza della filtrazione.

In conclusione, per modellare e ottimizzare un processo di filtrazione, si parte da ipotesi iniziali ben definite e si tiene conto di diverse variabili come l'efficienza del filtro e la velocità del processo. L'obiettivo finale è ottenere un filtrato pari a un solvente definito da un rapporto volumetrico.