Apparecchiature fluidodinamiche - 2

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1 Apparecchiature fluidodinamiche - 2 LEZIONI DI CONTROLLO E SICUREZZA DEI PROCESSI IN AMBITO FARMACEUTICO PROF. ING. MAURIZIA SEGGIANI maurizia.seggiani@unipi.it tel:

2 APPARECCHIATURE DINAMICHE PER IL TRASPORTO DEGLI AERIFORMI Le macchine operatrici destinate a convogliare e a comprimere gli aeriformi si dividono in ventilatori e in compressori, rispettivamente. Tali macchine operano su un fluido comprimibile (normalmente aria) conferendogli energia di pressione. La loro classificazione avviene sulla base del rapporto di compressione: Si hanno le seguenti tipologie di macchine:

3 I VENTILATORI I ventilatori sono apparecchi che trasmettono energia ai gas, aumentandone la pressione e la velocità. Essi si usano quando nel trasporto dei gas si deve superare bassi dislivelli di pressione (al massimo 0,8 m.c.a. pari a circa 0,08 atm). Dislivelli di pressione superabili usando ventilatori sono quelli derivanti dalle perdite di carico subite dagli aeriformi nell attraversare certi settori degli impianti. La potenza utile dei ventilatori, W u, si esprime così: W u = r g H Q (in W nel S.I.) dove Q è la portata volumetrica in m 3 /s, g accelerazione di gravità m/s 2, H è la prevalenza in m e r è la densità del fluido in kg/m 3 ; e la potenza assorbita, W a, si esprime: W a = W u /h ove h è il rendimento del ventilatore (0,4-0,6 se sono ventilatori piccoli e 0,8-0,85 se sono grandi). Le portate dei ventilatori arrivano a 20 Nm 3 /min. Rispetto al moto del fluido nella girante, i ventilatori si dividono in ventilatori centrifughi (con percorso radiale) ed in ventilatori elicoidali (con percorso assiale del fluido). I primi permettono di ottenere prevalenze massime di 0,8 m.c.a., mentre i secondi di 0,08 m.c.a.

4 VENTILATORI Regolazione della portata ed usi dei ventilatori La portata dei ventilatori può essere variata o mutando il numero dei giri o strozzando l aspirazione o, solo nei ventilatori elicoidali, variando l inclinazione e quindi il pescaggio delle pale. I ventilatori possono essere usati sia come apparecchi aspiranti, sia come apparecchi prementi: nel primo caso sono inseriti alla fine del circuito di ventilazione e nel secondo caso all inizio. Se nel circuito si hanno gas tossici è preferibile per motivi di sicurezza che il circuito operi in aspirazione in quanto in caso di difettosa tenuta delle flange lungo il circuito è preferibile che entri aria nel circuito piuttosto che fuoriesca il gas tossico; se invece l introduzione di aria potrebbe contaminare il gas interno o dar luogo a reazioni indesiderate (ossidazioni, reazioni esplosive) è preferibile che il circuiti operi in leggera pressione e quindi il ventilatore sarà posto all inizio del circuito.

5 Dovendosi, in particolare, convogliare gas caldi o corrosivi, i ventilatori possono essere inseriti o in derivazione, o, addirittura, all esterno del circuito. VENTILATORI

6 COMPRESSORI I compressori sono macchine operatrici che permettono di innalzare la pressione di un gas a valori molto levati. I compressori sono, a grandi linee, simili alle pompe volumetriche, ma i particolari costruttivi presentano profonde differenze: sia perché avendo gli aeriformi valori di densità molto minori di quelli dei liquidi, le macchine utilizzate per comprimerli possono essere molto più veloci delle corrispondenti pompe per liquidi, sia perché avendo gli aeriformi viscosità minore dei liquidi, le macchine operatrici ad essi destinate comportano d essere calcolate e realizzate con tolleranze minori di quelle delle pompe per liquidi. Inoltre, poiché la compressione degli aeriformi comporta diminuzione del loro volume, anche di questo si deve tener conto nel dimensionare i compressori. Inoltre, dato che in seguito alla compressione aumenta la temperatura del gas e un gas che si riscalda tende ad aumentare il proprio volume, la sua compressione viene ostacolata: ciò comporta una maggiore spesa di lavoro a parità di compressione da realizzare. Per tale motivo si ricorre alla compressione a più stadi con asportazione del calore interstadio: ciò riduce il lavoro totale richiesto a parità di compressione desiderata.

7 COMPRESSORI Compressori rotativi I compressori rotativi constano di una carcassa fissa e di organi mobili di varia foggia ruotanti in essa. Non sono adatti per trasportare gas contenenti solidi abrasivi. Si dividono in a) c. rotativi ad alto rapporto di compressione (P2/P1 =3-5; dove P1 è la pressione in ingresso e P2 la pressione in uscita) che forniscono portate massime di 1,5 Nm 3 /s con numero di giri da giri/min e rendimenti 0,5-0,6; e b) c. rotativi a basso rapporto di compressione (P2/P1 = 2) con portata massima di 2,5 Nm 3 /s, numero di giri giri/min e rendimenti circa 0,4.

8 COMPRESSORI Compressori alternativi I compressori alternativi realizzano la compressione di un gas in uno o più cilindri disposti in serie. Si impiegano per raggiungere pressioni anche di centinaia di atmosfere. Le loro portate non superano 1 Nm 3 /s, non sono adatti a gas contenenti sospensioni abrasive e funzionano a giri/min. I compressori alternativi monostadio sono adatti a raggiungere rapporti di compressione max di 6 atm, mentre per rapporti superiori si ricorre a compressori multistadio con raffreddamenti intermedi.

9 Compressori Centrifughi COMPRESSORI I compressori centrifughi hanno una vasta gamma di portate (0,8 40 Nm 3 /s) e le pressioni che sono in grado di raggiungere dipendono dal numero di stadi. Il rapporto di compressione relativo ad una singola girante può arrivare mediamente a 2 (in alcuni casi 5) così con 5 giranti in serie si possono avere circa 32 atm (2 5 ) in uscita entrando con 1 atm. In questo caso il gas in uscita da una girante viene convogliato all entrata della girante successiva. Nel passare da una girante all altra è opportuno raffreddare il gas al fine di ridurre il lavoro richiesto e tale raffreddamento si compie generalmente con acqua che viene fatta circolare in camicie o serpentini. I compressori centrifughi possono essere accoppiati direttamente con motori elettrici o con turbine a vapore. I c. centrifughi sono usati all'interno di cicli frigoriferi e per la fornitura di aria compressa alla strumentazione di processo. Andamento qualitativo della pressione e della velocità nelle varie sezioni di un compressore centrifugo.

10 LAVORO DI COMPRESSIONE Generalmente la compressione segue una politropica (PV n = cost con n da valutare sperimentalmente) che si avvicina molto ad una compressione adiabatica - isoentropica (PV g = cost) con g = C p /C v, pertanto la potenza teorica utile Wu in Watt per un compressore centrifugo è nel caso di compressione adiabatica - isoentropica: 1 PinQ a P P dove P in è la pressione in ingresso in N/m 2 (Pa), P out è la pressione in uscita in N/m 2 (Pa), Q in la portata volumetrica in ingresso in m 3 /s e a = (C p /C v - 1)/(C p /C v ). La temperatura di uscita T out in K da uno stadio di compressione è: W u T out T in P P Per tener conto delle irreversibilità (attriti, turbolenze, etc) e dell efficienza per la conversione di energia all albero motore si introducono l efficienza isoentropica h IS e l efficienza h d, rispettivamente; pertanto la potenza assorbita risulterà: W a in out in out in g1 g Wu h h IS d a 1 T in P P out in a

11 APPARECCHIATURE PER IL VUOTO Per effettuare alcune operazioni quali evaporazione, distillazione, essiccamento etc.. è talvolta necessario o vantaggioso operare in condizioni di pressione inferiore a quella atmosferica. Le macchine utilizzate per fare il vuoto sono di tipo statico o di tipo dinamico. Alle macchine di tipo statico appartengono gli eiettori e al secondo tipo le pompe meccaniche. Gli eiettori sono usati in questo caso per aspirare, il fluido motore trasferisce energia al fluido trascinato e lo fa passare da una pressione minore dell atmosferica a quella atmosferica. Volendo creare una depressione molto spinta (cioè pressioni assolute residue molto basse) scaricandone il relativo fluido in atmosfera occorre collegare in serie più eiettori alternati a condensatori. Tra le pompe meccaniche per vuoto troviamo le pompe rotative, a lobi, ad anello liquido e pompe a membrana. Simbolo per pompa a vuoto

12 APPARECCHIATURE PER IL VUOTO Pompa per vuoto rotativa Una pompa per vuoto rotativa è un tipo particolare di pompa a vuoto di tipo meccanico. Principio di funzionamento: si tratta di mettere in comunicazione con l'ambiente nel quale si intende fare il vuoto una zona a bassa pressione, che viene quindi riempita con il gas da espellere. Successivamente, quella regione viene scollegata dall'ambiente e infine svuotata all'esterno. Il tutto procede ciclicamente grazie all'uso di meccanismi rotanti a tenuta. Le pompe rotative sono costituite da un rotore provvisto di palette mobili che ruota eccentricamente in uno statore. Le palette vengono tenute a contatto con la superficie interna dello statore da una molla e dalla forza centrifuga. Tra le palette e lo statore è sempre presente un velo d'olio come elemento di tenuta. La variazione di volume delle camere crea depressioni (fase di aspirazione) e compressioni dell'aria (fase di scarico). Nella fase di aspirazione il gas viene estratto dalla camera da vuoto tramite il manicotto di aspirazione, successivamente grazie all'eccentricità del rotore la camera continua ad aumentare di volume. Una volta raggiunto il volume massimo il manicotto di aspirazione viene chiuso da una seconda paletta mentre la camera della pompa comincia a diminuire di volume consentendo ai gas di essere espulsi dal manicotto di scarico. Le pompe rotative raggiungono pressioni di 0,001 mbar con una velocità di pompaggio anche superiori a 20 Nm 3 /h (pompe industriali). Schema di funzionamento di una pompa rotativa: (a) il gas viene aspirato dalla camera da vuoto; (b) il gas viene compresso; (c) il gas viene espulso tramite la valvola. In azzurro viene indicato il volume di fluido spostato durante un ciclo (durante il quale l'eccentrico ruota in questo caso in senso orario).

13 APPARECCHIATURE PER IL VUOTO Pompa a lobi per il vuoto Le pompe a lobi (pompe roots) sono delle pompe da vuoto a spostamento di parete che lavorano trascinando il gas attraverso una coppia di lobi rotanti, che lavorano in maniera simile a degli ingranaggi accoppiati. Prendono il nome dai fratelli Philander e Francis Roots di Connersville, che ne brevettarono il tipo nel 1860 per applicazioni industriali, in particolare per gli altiforni. Le pompe sono composte essenzialmente da una camera ovale in cui sono alloggiati la coppia di lobi rotanti. I lobi comandati da un dispositivo esterno ruotano in maniera sincrona e con senso di rotazione opposto all'interno di una cavità. I lobi non vengono mai in contatto né con la parete della cavità né tra di loro, ma la tolleranza deve essere mantenuta inferiore a 0,1mm. Questo tipo di pompe funziona senza olio, ciò permette di evitare la contaminazione dei gas, lo svantaggio è che per evitare l'attrito i lobi non possono entrare in contatto tra di loro e con la parete esterna, quindi in fase di progettazione si lascia tra i componenti uno spazio di circa 0.1 mm. Le pompe roots possono raggiungere pressioni inferiori a 10-3 mbar con una grande portata. A causa della scarsa tenuta, però non sono in grado di superare differenze di pressione troppo elevate per questo è sempre presente in serie una pompa rotativa. Sezione di una pompa roots; si vedono i lobi che ruotando comprimono il gas.

14 APPARECCHIATURE PER IL VUOTO Le pompe ad anello liquido per vuoto sono costituite da una girante a palette fisse che ruota eccentricamente rispetto alla carcassa cilindrica in cui è inserita. La girante a palette fa tenuta con la carcassa solo sui fianchi. All interno della pompa si trova una certa quantità di liquido (acqua o altro) che, messo in rotazione dalle palette della girante, si dispone aderente alla faccia interna della carcassa formando su di essa una specie di rivestimento liquido continuo avente un certo spessore. Le palette della girante sono più o meno affondate in questo strato di liquido e delimitano perciò dei vani che, in virtù del fatto che la girane è eccentrica, variano di volume durante la rotazione. La funzione del liquido è quindi quella di far tenuta idraulica tra la girante e la carcassa. Il gas/vapore aspirato da un apposita apertura ricavata sul fianco della pompa, in prossimità dell asse di rotazione della girante ed in corrispondenza dell aumento di volume dei vani, viene gradualmente compresso (per la riduzione di volume dei vani stessi) ed infine espulso attraverso la mandata. Anche la mandata è ricavata sul fianco della pompa ed è in prossimità dell asse di rotazione, però in corrispondenza del punto in cui i vani raggiungono il volume minimo. Né durante l esercizio né a riposo deve uscire il liquido dalla pompa. La quantità del liquido deve rimanere costante, per cui a queste pompe devono arrivare gas il più possibile privi di vapori (che potrebbero condensare nella pompa) e di goccioline di liquido trascinato. Per questo motivo le pompe ad anello liquido, quando usate per creare il vuoto negli evaporatori, vengono istallate dopo un condensatore seguito da un abbattitore di trascinamenti. Le pressioni residue che si possono raggiungere dipendono dalla natura e temperatura del liquido contenuto; in generale si raggiungono pressioni superiori di 5-6 torr rispetto alla tensione di vapore del liquido. Per aumentarne l efficienza, queste pompe, soprattutto nei grandi modelli, sono provviste di sistemi di raffreddamento ad acqua fatta circolare nella camicia ricavata nella carcassa.

15 APPARECCHIATURE PER IL VUOTO Pompa a membrana per il vuoto La pompa a membrana, detta anche a diaframma, è un tipo di pompa a vuoto in cui la variazione di volume è data dall'oscillazione di una membrana che chiude un lato di una camera. Il movimento può essere impresso alla membrana per via meccanica, per esempio attraverso un sistema a leva e manovella o una camma, oppure pneumaticamente, alternativamente introducendo e rilasciando aria compressa in una camera opposta a quella di pompaggio. Le pompe a membrana tipicamente lavorano nel range compreso fra la pressione atmosferica ed i 10 mbar di vuoto finale. Alcuni produttori, sono in grado di costruire pompe da vuoto a membrana capaci di scendere fino ad un livello di vuoto pari a circa 0,3 mbar. Per generare il vuoto in laboratorio le pompe a membrana sono la prima scelta fra le tecnologie di vuoto disponibili. Le principali ragioni di ciò sono la loro resistenza chimica, il vuoto privo di residui d olio, e la disponibilità di soluzioni per il recupero dei solventi. La pompa a membrana è uno strumento molto resistente in cui la necessità di manutenzione ordinaria è ridotta ad un intervento ogni circa 2 anni. Queste pompe, disponibili anche in materiali resistenti ad acidi e solventi, hanno assunto un ruolo fondamentale nella vita del laboratorio chimico e chimico farmaceutico andando a rimpiazzare in molti casi l'utilizzo di pompe rotative ad olio.

16 Controllo delle pompe da vuoto Le pompe da vuoto, soprattutto quelle utilizzate in applicazioni di ricerca chimica, sono dotate di controllori di vuoto per consentire all'utente la regolazione del corretto livello di vuoto a cui svolgere la propria applicazione. Circa i controllori di vuoto elettronici attualmente ne esistono di tre tipi differenti: controllo del vuoto mediante accensione e spegnimento della pompa da vuoto ( o controllo on-off) controllo del vuoto operante su un'elettrovalvola che apre e chiude (in una quantità stabilita dall'operatore) il collegamento fra pompa da vuoto ed "applicazione" controllo del vuoto di alta precisione, operante sulla velocità di pompaggio della pompa ossia sui giri motore (in giri al minuto, [rpm]). Il primo sistema, ormai considerato obsoleto, presenta moltissimi problemi, soprattutto implica la necessità di utilizzare parti elettriche e meccaniche. Il secondo sistema, sebbene anch'esso superato, è ancora molto utilizzato, ma presenta come controindicazione l'inevitabile sviluppo di un processo soggetto ad isteresi. Infatti il vuoto non ha una regolazione esatta, ma viene controllato all'interno di un range impostato dall'operatore, che corrisponde alle fasi di apertura e chiusura dell'elettrovalvola. La scelta dell'intervallo di lavoro corrisponde ad un valore di riferimento (chiamato set-point) e ad uno scarto massimo da questo valore. Ad esempio se si vuole lavorare a 10 mbar si può impostare un intervallo di 10±5 mbar, che significa impostare l'apertura dell'elettrovalvola a 15 mbar e la chiusura a 5 mbar; il valore di 10 mbar è quindi un valore medio dell'intervallo controllo di vuoto impostato, e viene chiamato set-point. Il terzo sistema, anche detto di "regolazione continua" è l'unico che consente di non avere isteresi nel sistema, permettendo di lavorare esattamente al vuoto desiderato (10 mbar seguendo l'esempio precedente). Questa regolazione avviene mediante il controllo della velocità dei giri motore della pompa che saranno estremamente bassi in prossimità del livello di vuoto desiderato, allo scopo di mantenere perfettamente costante il vuoto impostato. I vantaggi indiretti di questo sistema di controllo del vuoto sono: la regolazione della velocità di creazione del vuoto, utili per evitare fenomeni di brusco decremento del vuoto, possibile causa di schiumeggi "bumping" o risucchio del prodotto; minor tempo di lavoro grazie al mantenimento del vuoto ideale senza isteresi minor consumo delle parti meccaniche della pompa.

17 APPARECCHIATURE PER IL VUOTO La misura delle pressioni residue negli impianti si fa con i vacuometri. Le misurazioni, data la grande varietà di condizioni in cui viene a trovarsi un gas al diminuire della pressione, non si possono effettuare con un unico tipo di strumento e i vacuometri usati si basano su principi fisici diversi, ciascuno adatto a coprire un determinato intervallo di pressioni. I v. si possono classificare in due grandi categorie, in base al tipo di energia che è necessario fornire per l esecuzione delle misure: v. di tipo meccanico, in cui tale energia è meccanica e può provenire dal gas stesso di cui si vuole misurare la pressione (tubi a U ecc.) oppure da una sorgente esterna (v. a compressione), e v. di tipo elettrico, in cui l energia elettrica è trasformata in calore (nei v. a conducibilità termica) o è impiegata per ionizzare il gas (nei v. a ionizzazione). I v. che utilizzano proprietà molecolari sono detti genericamente v. molecolari. I v. possono inoltre essere diretti oppure indiretti. Nel primo caso, la lettura dello strumento è indipendente dalla natura del gas, e ciò si verifica ogni volta che la pressione viene misurata direttamente come forza che agisce sull unità di superficie. Nelle misurazioni indirette si sfrutta una proprietà del gas che è funzione della pressione (per es., la conducibilità termica o la probabilità di ionizzazione): in questo caso, la risposta del misuratore dipende dalla natura del gas (peso molecolare); le scale di questi strumenti vanno costruite o trasformate mediante taratura in funzione del tipo particolare di gas.

18 APPARECCHIATURE PER IL VUOTO VACUOMETRO - Campi di applicazione (P assoluta misurabile) e modo di funzionamento dei vacuometri P atm = 10 5 Pa VACUOMETRO AD U, A MERCURIO VACUOMETRO DI BENNERT