Riassunto di Ambiente e sicurezza nei processi chimici

PERFETTAMENTE MISCELATO

Ipotesi:

1) Particelle aventi stesso diametro e densità sedimentano con la stessa

velocità, ;

2) Esiste un meccanismo di ridistribuzione delle particelle nel generico

volumetto. 

Concentrazione media decrescente esponenzialmente nel tempo t (equivalente lunghezza x):

L’efficienza di abbattimento aumenta esponenzialmente nel tempo:

Cicloni

Moto di una particella in un flusso di gas

Ipotesi:

- Particella perfettamente sferica in moto con velocità ;

- Aria in moto con velocità ;

- Forze di galleggiamento NON trascurabili;

- Moto piano (r,θ)

Equazione del moto

In direzione radiale:

Si ottiene: Sapendo che la generica particella più sfavorita segue la seguente

traiettoria:

La particella più sfavorita verrà “catturata” dal ciclone quando:

ovvero il tempo impiegato dalla particella più

sfavorita per percorrere la distanza r1 – r2 è

inferiore (o al limite uguale) al tempo impiegato

dal vortice primario discendente per invertirsi e

trasformarsi in vortice secondario ascendente.

Da studi sperimentali è stato calcolato che

il vortice primario inverte il suo senso in

corrispondenza di una lunghezza

caratteristica del ciclone nota come:

LUNGHEZZA NATURALE Z.

La lunghezza del vortice primario può essere calcolata come:

Dove:

Numero di avvolgimenti che Raggio medio del

subisce il nastro solido prima vortice discendente

di invertirsi

Il tempo di residenza nel vortice primario corrisponde al tempo massimo utile per l’intercettazione:

Nella pratica spesso si utilizza direttamente il Dp,min come Dp,cut ai

fini della determinazione dell’efficienza totale di abbattimento:

Dp,cut=diametro minimo delle particelle intercettabili con rendimento

0.5

Dp,min= diametro minimo delle particelle intercettabili con rendimento unitario

Nota la distribuzione granulometrica delle particelle presenti nella corrente gassosa è sempre

possibile determinare l’efficienza di abbattimento globale attraverso la formula:

Stima delle perdite di carico

Le perdite di carico in un elemento unitario di separazione sono dovute a:

1) Geometria dell’elemento (condotti di imbocco/sbocco, raccordi…); ∆P 1

2) Caratteristiche dell’aeriforme che attraversa l’elemento. ∆P 2

La perdita di carico totale dell’elemento risulterà:

Perciò sarà necessario fornire al fluido da depurare una potenza pari a:

4 – Colonne di assorbimento e adsorbimento

Colonne di assorbimento

Colonne di assorbimento a piatti

Ipotesi

• Colonna isobara ed isoterma;

• Flusso delle correnti: controcorrente;

• Un solo componente assorbito (1 soluto);

• Su ogni piatto vengono raggiunte le condizioni di equilibrio tra le fasi che

lasciano il piatto stesso.

Consideriamo un problema di progetto

In questo caso sarebbero noti:

• T, P operative;

• portata e composizione della corrente gassosa in

ingresso alla colonna (GM e Y0);

• composizione del liquido assorbente in ingresso

alla colonna (XN+1);

• 1 specifica di recupero o di purezza per il soluto

da assorbire (YN).

Deve essere determinata:

la portata di liquido circolante in colonna

Dall’equazione di Bilancio Materiale per il tronco di colonna compreso tra il generico piatto n+1 e

la testa della colonna (N) si ricava l’equazione della RETTA DI LAVORO (espressione della

conservazione di materia (soluto) in colonna.)

Accettando l’ipotesi di SOLUZIONI DILUITE (caso che spesso si incontra nella pratica industriale)

i rapporti e le frazioni molari tendono a coincidere perciò è possibile scrivere l’equazione di

equilibrio come: lineare nei rapporti molari (CASCATE LINEARI).

Determinazione della portata minima di liquido in colonna

Maggiorando oppurtunamente (generalmente +30%) il rapporto (L/G)min trovato è

possibile ottenere la portata effettiva di liquido circolante in colonna.

Colonne di assorbimento a corpi di riempimento

Consideriamo un problema di progetto

In questo caso sarebbero noti:

• T, P operative;

• portata e composizione della corrente gassosa in ingresso

alla colonna;

• composizione del liquido assorbente in ingresso alla

colonna;

• 1 specifica di recupero o di purezza per il soluto da

assorbire.

Devono essere determinati:

• l’altezza del riempimento necessaria ad assicurare la specifica fornita

• il diametro della colonna

Altezza del riempimento

Diametro di colonna

Viene utilizzato il diagramma di Sherwood che riporta delle curve y vs. x parametrizzate rispetto

alle perdite di carico massime ammissibili in colonna al fine di evitare il fenomeno del FLOODING

(ingorgo della colonna).

Le variabili x ed y sono, a loro volta, funzioni di parametri caratteristici del sistema.

Dipende quindi da: il rapporto liquido – gas, concentrazione liquido,

concentrazione gas.

Imponendo le perdite di carico massime per unità di altezza di riempimento in colonna (tali da

evitare il fenomeno di flooding): È possibile ricavare il valore di y corrispondente a quello di

x trovato in precedenza semplicemente selezionando la

curva corrispondente alle perdite di carico massime assunte.

Dalla formula di y è possibile calcolare il flusso massivo di gas circolante in colonna.

Il fattore F viene calcolato mediante apposite tabelle conoscendo la dimensione caratteristica dei

corpi di riempimento. Il fattore C viene letto dalla tabella al di sotto del diagramma di Sherwood.

Di conseguenza è possibile calcolare la sezione della colonna ed il suo diametro.

Colonne di Adsorbimento

ADSORBIMENTO:

interazione chimico - fisica superficiale tra una fase FLUIDA

ed una SOLIDA assimilabile ad una concentrazione selettiva

di uno o più componenti della fase fluida alla superficie del

solido.

L’operazione viene condotta introducendo il fluido da “depurare” in colonne riempite di fase

adsorbente (solido).

Le colonne hanno configurazione verticale per evitare che la corrente fluida by-passi parte

dell’adsorbente.

Gli impianti di adsorbimento sono in genere costituiti da almeno 2

apparecchiature in parallelo di cui una funzionante in modalità di

rigenerazione del solido adsorbente.

5 – Dinamica delle particelle

Aria atmosferica = miscela di gas (aria secca) + vapore (1 – 3%)

A seconda del loro stato di aggregazione gli inquinanti possono formare con l’aria:

- Miscele eterogenee: aria + inquinanti solidi/liquidi = AEROSOL

- Miscele omogenee: aria + gas/vapori

Depurazione di una miscela eterogenea: separazione dell’aria atmosferica dalla componente solida

o liquida.

Mezzi di separazione:

1) Applicazione di campi di forza alla miscela (modifica del moto delle particelle + deviazione

verso sistemi di raccolta):

- CAMERE DI CALMA (forze gravitazionali)

- CICLONI (forze centrifughe)

- PRECIPITATORI ELETTROSTATICI (forze elettrostatiche)

2) Interposizione di ostacoli fissi o mobili (intercettazione delle particelle + raccolta):

-FILTRI A MANICHE

Definizioni:

- GRANULOMETRIA: proprietà che identifica le singole particelle in base alle loro dimensioni

caratteristiche.

- CLASSE GRANULOMETRICA: insieme di particelle le cui dimensioni caratteristiche si

collocano entro un dato intervallo dimensionale.

L’efficienza di una generica apparecchiatura di separazione rispetto ad una certa classe

granulometrica i viene definita come:

L’efficienza complessiva di una generica apparecchiatura di separazione si ottiene dai dati di

distribuzione granulometrica delle particelle costituenti la miscela e dai dati di efficienza frazionata

rispetto a ciascuna classe granulometrica.

Più frequentemente, per definire le prestazioni di abbattimento, si utilizza la grandezza permeanza

(e) definita come complemento all’unità dell’efficienza di abbattimento:

E’ facile intuire che la permeanza fornisce un’informazione relativa alla quantità di inquinante che

attraversa il sistema di abbattimento senza esservi trattenuto.

Nel caso di più apparecchiature di depurazione poste in serie la permeanza totale del sistema di

abbattimento è data dal prodotto delle permeanze delle singole apparecchiature.

Nel caso di più apparecchiature poste

in parallelo, la permeanza totale del sistema di abbattimento è

data dalla somma, normalizzata dalle singole portate, delle

permeanze delle singole apparecchiature.

e =

tot

6 – Precipitatori elettrostatici e filtri a maniche

Precipitatori elettrostatici Particelle solide/liquide, in sospensione all’interno di un

flusso gassoso, vengono caricate elettricamente

(sfruttando il fenomeno noto come EFFETTO

CORONA) per passaggio nelle vicinanze di un elettrodo

di emissione (ad elevato potenziale assoluto).

Successivamente vengono deviate per azione del campo

elettrico generato e fatte depositare su opportuni elettrodi

di captazione (a potenziale di terra).

Effetto corona

È un fenomeno per cui una corrente elettrica fluisce tra un elettrodo ad elevato potenziale assoluto

ed un fluido neutro circostante. Il fluido neutro viene ionizzato trasformandolo in plasma in grado di

condurre corrente.

Esistono corone positive o negative a seconda della polarità del potenziale dell’elettrodo a grande

curvatura.

MECCANISMO DI FORMAZIONE DI UNA CORONA POSITIVA

• un evento di ionizzazione esogeno del fluido neutro produce

ELETTRONI PRIMARI e IONI POSITIVI  separazione delle cariche

permessa dalla forte intensità del CAMPO ELETTRICO in prossimità

dell’elettrodo di emissione;

• gli ELETTRONI PRIMARI spostandosi verso l’elettrodo di emissione

(polarità positiva) collidono anelasticamente con altre molecole di fluido

neutro ionizzandole EFFETTO VALANGA;

• gli IONI POSITIVI si spostano verso gli elettrodi di captazione

(polarità negativa) e se, lungo il loro percorso, entrano nelle vicinanze di

particelle solide o liquide in sospensione entro il plasma vengono

“catturati” facendo assumere a queste ultime una carica positiva.

• le PARTICELLE di inquinante cariche positivamente si depositano infine sopra l’elettrodo di

captazione.

MECCANISMO DI FORMAZIONE DI UNA CORONA NEGATIVA

• un evento di ionizzazione esogeno del fluido neutro

produce ELETTRONI PRIMARI e IONI POSITIVI;

• ELETTRONI SECONDARI, prodotti per effetto

FOTOELETTRICO alla superficie dell’elettrodo di emissione

(polarità negativa), spostandosi verso l’elettrodo di

captazione (polarità positiva) collidono anelasticamente

con altre molecole di fluido neutro ionizzandole

 EFFETTO VALANGA;

• gli ION