SEPARAZIONE SOLIDO-LIQUIDO: - SEDIMENTAZIONE FILTRAZIONE CENTRIFUGAZIONE

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1 SEPARAZIONE SOLIDO-LIQUIDO: - SEDIMENTAZIONE FILTRAZIONE CENTRIFUGAZIONE - appunti schemi esercizi versione#a2 - Prof.A.Tonini Sono operazioni unitarie dell Ind.Chimica, processi di tipo fisico che sono alla base di ogni processo produttivo: operazioni di trasporto, separazione tra fasi omogenee eterogenee, passaggi di fase senza reazione, concentrazione, 1 PROCESSO DI SEDIMENTAZIONE separazione S/L per gravità - 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. 1.1.TEORIA: moto di una particella immersa in un liquido - caso sedim. indipendente [no interazioni] 1 tempo: nell istante iniziale, a particella ferma, agiscono su di essa la forza peso F P e la spinta F S di Archimede; all equilibrio: forza risultante F R = F P F S = V P (γ P - γ L ) [ con P= m P g = γ P V P ; S= m P g = γ L V P ; V volume,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 γ P (del solido) > γ L, e a salire se γ P < γ L. 2 tempo: successivamente nel caso γ P > γ L, la particella assumerà inizialmente una certa accelerazione verso il basso a cui si contrapporrà una forza di attrito F 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 F P F S F A = 0; in queste condizioni l accelerazione sarà zero e la velocità costante: questa è velocità di sedimentazione. Considerando l attrito costante, particella sferica, 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 r 2 (γ P - γ L )/ µ L ; [per moto turbol.del liquido: v = k [r (γ P - γ L )/ γ L ] (La forza di attrito ha formula:f attr = k Sup P ρ v 2 /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 [di laboratorio] - eseguito 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 t l altezza h 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 curvilineo, per poi appiattirsi. tempo di sedimentazione sarà t SED =t 3 ; velocità di sedimentazione sarà v SED =(h 0 -h 3 )/(t 3 -t 0 ); 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.

2 - si definisce inoltre tempo di ritenzione il tempo che, in situazione dinamica, una particella rimane nella vasca di sedimentazione prima di uscirne; t RIT = Vol/F (con F portata, m3/h; Vol volume della vasca,m3); - si definisce velocità di deflusso o trasporto il rapporto tra portata e sezione di deflusso della vasca v DEF = F/Sez. AVREMO SEDIMENTAZIONE se: t SED < t RIT e anche v DEF < v SED. Prof.A.Tonini 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: -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 v sedim =3mm/s) e non sedimentabili. -particelle di tipo fioccoso = sedimentazione di massa; interferiscono fra loro, cioè nella fase discendente si uniscono le une con le altre (flocculano) e di conseguenza aumentano la loro massa precipitando con una velocità crescente; perciò quanto più lungo sarà il DIAMETRO DELLE PARTICELLE m TIPOLOGIA tempo di contatto tanto maggiore sarà l efficacia del trattamento di sedimentazione. -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 v SEDIM =3mm/s) e non sedimentabili. [ esercizi di sedimentazione: vedi appendice] PRESENZA DI SOLIDI COLLOIDALI nella sedimentazione - I colloidi si distinguono in colloidi idrofili (di origine organica, ac.umici, alghe..., sostanze con gruppi OH,-COOH,-NH 2, che assorbono in superficie uno strato di H 2 O) e idrofobi (di natura inorganica,argille,silicati..., hanno bassa affinità con H 2 O, interfaccia più netta). L aspetto caratteristico dei colloidi è la repulsione elettrostatica che si esercita a breve distanza tra le varie particelle, per opera di cariche disposte sulla superficie: questo impedisce la collisione tra le particelle e la 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 si chiama strato di Stern; oltre questo strato si distingue un altro dove concentrazione degli ioni positivi è prevalente, o strato diffuso, con interazioni deboli; le due zone costituiscono un doppio strato elettrico intorno a ciascuna particella. Quando la particella si muove, gli ioni IN PRESENZA DI COAGULANTI all interno di questo confine si muovono con essa,mentre quelli al di fuori non viaggiano con la particella; tale confine è detto slipping plane: il potenziale di tale confine è conosciuto con il nome di potenziale Zeta. L avvicinamento di più particelle di colloidi, cioè una minor repulsione fino ad annullamento, sarà possibile abbassando il potenziale Z: si usano per questo agenti di coagulazione elettroliti a base di ioni Al 3+ e Fe 3+, ioni relativamente piccoli ma con grande carica, che hanno effetto di alterare l equilibrio delle cariche, diffondendo nel doppio strato, comprimendone lo spessore e abbassando Z; ciò provoca l annullamento delle repulsioni, e una rapida aggregazione delle particelle disperse del colloide che si separano dal mezzo disperdente sotto forma di fiocchi più o meno compatti CHIARIFLOCCULAZIONE sedimentazione chimica - L eliminazione dei solidi finissimi e colloidali avviene in tempi industrialmente accettabili, mediante un trattamento con aggiunta di sostanze chimiche, in 3 fasi: VELOCITÀ DI SEDIM. (m/h) TEMPO DI DEPOSITO a 2 m di profondità 1 Ghiaietto sec. 0,1 Sabbia di Filtri sec. 0,01 Sabbia fine 36 ~3 min. 0,004 Sabbia fluida 7,5 ~16 min. A - 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. azioni: - abbassare i valori di potenziale elettrico (Z) in prossimità della superficie del colloide (destabilizzazione); - idrolisi dei sali [p.es. di Al 3+ e Fe 3+ ], con formazione di ioni polinucleari [Al 6 (OH) ;Fe 2 (OH) 2 +3 ]; 0,0015 Fiocchi di Al(OH) 3 0,54 4 ore

3 Prof.A.Tonini - formazione di precipitati fioccosi [idrolisi] 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 COAGULANTI più comuni: -Al 2 (SO 4 ) 3 : buona azione a ph5-7,precipitato fioccoso; -PAC policloruro Al (Al N (OH) M Cl 3N-M ] X ): maggior potere coagulante,ph5-10, per acque anche di fiume uso potabilizzazione; -FeCl 3 : buon potere, basso costo,ph4-10,molto corrosivo, possibili colorazioni; -Ca(OH) 2 CaCl 2 : uso per eliminare fosfati N ammoniacale; modalità: agitazione rapida, per circa 5 minuti, per favorire la dispersione dell agente; B- FLOCCULAZIONE: gli aggregati [fiocchi] si ingrossano fino a diventare sedimentabili; agenti di flocculazione: PAC (Al policloruro, [Al N (OH) M Cl 3N-M ] X ); polielettroliti organici con gruppi funzionali positivi o negativi sulle catene (macromolecole organiche ottenute per processi di polimerizzazione: PAmmidi (non-ion.), Pacrilici (anion.), Poliammine (cation.); le loro dimensioni sono simili ai colloidi in sospensione; azione: le catene polimeriche vengono inizialmente adsorbite sulla superficie delle particelle solide, creando ponti tra le particelle; maggiore è il p.m. del polimero maggiore sarà la capacità legante. modalità: agitazione lenta, per circa 15 minuti, per favorire l accrescimento dei fiocchi; NOTA: 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; N.B.: la scelta ed il dosaggio di coagulanti /flocculanti deve essere determinato in laboratorio con un jar test sull acqua da trattare o meglio con degli impianti pilota. Il dosaggio è funzione della natura dell acqua grezza (ph, alcalinità, solidi sospesi, ecc.) e sul grado d abbattimento richiesto dei parametri come (torbidità, colore, carbone organico totale (TOC), THMs, ecc.). C - SEDIMENTAZIONE: azione: 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; 1.3. 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 fanghi con solidi sedimentabili. I campi di applicazione sono: il trattamento delle acque grezze, delle acque di depurazione, la precipitazione chimica. A - SEDIMENTATORE CIRCOLARE tipo DORR vasca di forma circolare a flusso radiale, per medio grandi impianti - La torbida viene immessa al centro dell apparecchiatura in un cassone di forma cilindrica di sezione piccola; così 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. Così 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 da 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.

4 Prof.A.Tonini C - SEDIMENTATORE VERTICALE tipo DORTMUND 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, 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; si ottiene così un continuo appesantimento dei fanghi, dato il movimento iniziale diretto verso il basso, e la loro separazione in basso. D - ISPESSITORE L ispessitore è un decantatore che si usa per trattare e addensare i fanghi estratti dal fondo delle apparecchiature di un impianto di trattamento fanghi, 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. 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 è <100 %, quindi dopo il trattamento dovrà seguire la filtrazione. c)-a vasca unica: PULSATOR- [vedi anche imp.potabilizzazione - ACQUE PARTE 3 ]- Da un punto di vista costruttivo il Pulsator mod. Degremont (vedi figura) è formato da un bacino a fondo piatto, alla base del quale ci sono dei tubi (3) che rendono possibile l introduzione dell acqua grezza da trattare in modo uniforme su tutta la superficie dell apparecchio. In alto, sopra le tubazioni di immissione dell acqua, ci sono dei canali (6) che permettono la raccolta uniforme dell acqua decantata, evitando così di creare velocità ascensionali diverse nelle varie zone del decantatore. Il sistema di alimentazione di questo apparecchio è costituito da un camino (2) dentro il quale viene mandata la torbida da trattare già addizionata di coagulanti; in questa zona viene aspirata aria mediante un compressore (7). Quando l acqua raggiunge il livello di 1 metro sopra il livello dell acqua del decantatore si apre una valvola (8) che ristabilisce la pressione atmosferica, permettendo al liquido di scendere e passare nella zona del decantatore. In questa apparecchiatura il tempo di svuotamento della campana è di 5 secondi, mentre quello di riempimento è di 15/20 secondi. In questo modo nella parte bassa del decantatore si crea un letto di fango pulsante omogeneo (5), percorso dall alto verso il basso durante i periodi di calma e dal basso verso l alto durante lo svuotamento della campana, assicurando così il contatto tra l acqua trattata con i reattivi ed il fango, e realizzando un ottima filtrazione delle particelle colloidali e dei fiocchi di precipitati contenuti nell acqua. Con l apporto dei fanghi presenti nell acqua, la massa del letto di fango aumenterà regolarmente fino a quando viene scaricata. Lo scarico (4) avviene in alcune zone del decantatore a forma di fossa a fondo inclinato poste ai lati del decantatore, dove il fango oltre a raccogliersi si concentra.

5 Da questa vasca si effettuano gli spurghi mediante delle valvole automatiche comandate da un timer. Un vantaggio di questo sistema è che spurgando solo l eccesso di fango non c è pericolo di abbassare la concentrazione dei fanghi nel decantatore. L acqua decantata esce dalle canalette superiori (6) verso i filtri a sabbia. D)- VASCA A PACCHI LAMELLARI consente di moltiplicare, nel medesimo bacino di sedimentazione, la superficie di separazione acqua fanghi, con migliore sedimentazione e risparmio di spazio; i pacchi lamellari sono costruiti di solito in materiale plastico antiusura; quando sono in metallo, si adoprano come disoleatori [vedi documenti acque]. Prof.A.Tonini 2 PROCESSO DI FILTRAZIONE FUNZIONAMENTO: la corrente liquida passa attraverso un mezzo filtrante che trattiene i solidi fini e finissimi. Il mezzo filtrante può essere costituito da un letto di sabbia, da tela o da altri materiali porosi. Durante la filtrazione si accumula uno strato di solidi trattenuti, chiamato panello o torta. TEORIA il moto di un liquido attraverso mezzo filtrante, sia solido granulare che 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: F = k p /R (m3/h) o anche F = Sup * p/(µ * R) [eq.darcy]; con P differenza di pressione monte-valle del filtro,r la resistenza alla filtrazione, k costante del processo, Sup=superficie del mezzo filtrante, µ viscosità; la resistenza è data da R = k s/ Sup (con s=spessore torta; k =cost. che dipende dalla forma e tipo di particelle filtrate): essa aumenta nel tempo, all aumentare di s. Il panello 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 trattata dipende quindi dalla differenza di pressione e dalla resistenza del mezzo. TECNICHE DI FILTRAZIONE: - F.superficiale e a torta: su tessuto, membrana, setaccio metallico; diam.particelle φ>fori; partecipa alla filtrazione anche il panello formato; per conc.solidi>1%; - F.di profondità: per particelle φ< fori di passaggio; filtrazione attraverso tutto lo strato filtrante, con fenomeni di sedimentazione adsorbimento e accumulo; per minore conc.solidi; METODI DI FILTRAZIONE: [poiché la resistenza aumenta durante il funzionamento] 2.1- a ΔP costante= FILTRAZIONE A GRAVITA 2.2- a portata F costante, aumentando p1 all aumentare di R = FILTRAZIONE IN PRESSIONE; 2.3- a portata F costante, diminuendo p2 all aumentare di R = FILTRAZIONE SOTTO VUOTO; 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, posto su una griglia in un contenitore, p.es.vasca in cemento, nel caso dei filtri a gravità, o da un serbatoio metallico (caso di filtri a pressione vedi oltre). Particelle diam.φ molto inferiori alla sabbia vengono trattenute dal filtro a causa di vari fenomeni (attrazione elettrostatica, forze di Van der Waals,mutuo assorbimento, CLAPET ecc.). Caratteristiche dei filtri rapidi [impiego in acquedotti]: sabbia uniforme, per un altezza di circa un metro, con valvole antitrascinamento clapet [vedi fig.], altezza letto 1 m, vel m/h. FILTRAZIONE-CASO 1: l acqua da trattare viene immessa sulla superficie del filtro, attraversa lo strato di sabbia che trattiene le particelle solide contenute nell 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 LAVAGGIO-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 contenente 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, a maggiore velocità di sedimentazione, andranno sul fondo seguite da quelle di dimensioni sempre più ridotte.

6 Prof.A.Tonini Durante il funzionamento si cerca sempre di mantenere la portata in uscita costante con l ausilio di un sistema di regolazione a sifone. 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, sono 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 FILTRAZIONE IN PRESSIONE Sono apparecchiature usate anche per trattamento di 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 A LETTO in PRESSIONE torbide a basso contenuto solidi 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. 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 circa del 50%, comunque facilmente smaltibile. NASTRO PRESSA 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, privandosi di liquido. 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). Altri filtri a pressione: F.KELLY; F.a CANDELA 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 [A] [L] o in pressione [P] 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 (A aspiraz. L lavaggio) in depressione e (P) in pressione.

7 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 A 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 [L] 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] COMPLEMENTI: ALTRI APPARECCHI FILTRAZIONE SOTTO VUOTO: Prof.A.Tonini filtro Moore a Foglia filtri rotativi A DISCHI piatti nastrovuoto SCHEMA di PROCESSO FILTRAZIONE SOTTO VUOTO - FILTRO OLIVER LEGENDA: 1 TORBIDA 2 SOLIDO FILTRATO 3 LIQUIDO FILTRATO AD ACQUA DI LAVAGGIO B ARIA IN PRESSIONE 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 SERBATOIO LIQUIDO FILTRATO D4 SERBATOIO ACQUE DI LAVAGGIO S.V. D5 SERBATOIO BAROMETRICO P2 POMPA AD ANELLO LIQUIDO PER SERVIZIO VUOTO

8 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, anche per sep.solido-liqido-liquido. Se poniamo il sistema da quiete (STATO 1) in rotazione, alle forze presenti (F P peso, F S spinta Archim.) si aggiungerà un altra: la forza centrifuga F C. 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 volte); ciò determina tempi di separazione dei solidi molto inferiori a quelli della sedimentazione e della filtrazione. posto: F P = mg= γ P Vol; F S = γ L Vol; Fc = mω 2 /r ; v DECANT = velocità decantazione; La forza risultante della separazione risulta quindi R = Fc F S = k γ π 2 r n 2 ovv. v DECANT = kd 2 (ρ P -ρ L )rω 2 /µ [Stokes] con ω= 2 π n/60; n = n giri o rpm; accell.centrif.a C =ω 2 /r; d= diam.particella; r= raggio di rotazione; µ= viscosità; ρ =densità solidop/liquidol; CONSEGUENZE: la separazione dipende dal raggio rotazione 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 n (influenza inversa,alto n giri/piccolo diametro) per motivi meccanici e di sicurezza [vedi tab.in alto]. APPARECCHI: a seconda delle funzioni svolte si hanno centrifughe decantatrici e c.filtranti. 3.1 centrifughe DECANTATRICI a cestello verticale - discontinua è costituita da una tazza tronco conica in rotazione. L alimentazione avviene circa al centro della tazza e, per effetto della forza centrifuga, viene spinta verso la parete dove i solidi vengono spinti verso l esterno [F], il liquido [C] si separa nella zona centrale. Necessaria la fermata per eliminare il solido. Applicazioni anche in laboratorio. 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. SUPERCENTRIFUGHE a piatti - dischi (es: centrifuga Alfa Laval) è caratterizzata da una pila di tazze tronco-coniche 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: centrifuga separatrice di olio/acqua/solido nell industria olearia. C. A PIATTI DISCHI DISCONTINUA - CONTINUA - CONTINUA

9 centrifughe decanter Prof.A.Tonini Le centrifughe decantatrici vengono utilizzate per separare due, o più fasi, di peso specifico diverso, cioè per 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 due tamburi rotanti [stesso senso,ma vel.diverse] di forma cilindrica/tronco conica esterno liscio, interno a coclea. La fase solida, più pesante, si deposita sulle pareti interne del tamburo esterno e viene raschiata dalla coclea interna fino a farla espellere nei fori posti al termine della sezione tronco conica; la fase liquida esce dalla parte opposta più vicino all asse di rotazione, con sistema a labirinto; 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. Le centrifughe decantatrici si presentano come la migliore alternativa ad altri sistemi di disidratazioni per filtrazione quali le Filtropresse e le Nastropresse, per velocità di separazione e risultati. Inoltre i decanter presentano i seguenti vantaggi: - processo in continuo; buona separazione di solidi; anche con tre fasi solido/liquido1/liquido2; veloci; - 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, per solidi a grana grossa con cestello forato, per grana fine con sacco a tela: 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. [fattore G= rω 2 /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 AD ASSE ORIZZONTALE tipo PEELER sono macchine che 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.

10 Prof.A.Tonini 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, (NH 4 ) 2 SO 4, Na 2 SO 4, 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. 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; ρ P =1350 Kg/m3;ρ L =900Kg/m3;μ L =0,002Pa.s; soluzione: v LAMIN = (γp-γl)d^2/18 μ=9,8(ρ P - ρ L )D^2/18 μ=9,8( ) (2x10-5 ) 2 /18x0,002=4,9x10-5 m/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; ρ P =3500 Kg/m3;ρ L =1000Kg/m3;μ L =0,001Pa.s; soluzione: v TURBOL =1,73xRADQ[(D(ρ P - ρ L )9,8)/ ρ L ]=1,73xRADQ[0,004( )9,8/1000]=0,54m/s Re=ρ v D/μ=1000 0,54 0,004/0,001= 2160