TUTTI I «PROCESSI» DELLE INDUSTRIE ALIMENTARI SONO SUDDIVISIBILI IN «OPERAZIONI UNITARIE» DETTE OPERAZIONI RAPPRESENTANO I MATTONI E POSSONO ESSERE VALUTATE INDIPENDENTEMENTE DAL PROCESSO IN CUI SONO INSERITE La separazione è una operazione unitaria che deve tener conto delle diverse condizioni e caratteristiche del sistema in gioco; Il sistema in oggetto può essere un miscuglio omogeneo o eterogeneo di uno o più fasi (dispersa e disperdente); E pur vero che un sistema l operazione di separazione in ambito industriale è differente da quelle che si adottano in un laboratorio; Le suddette operazioni unitarie di separazione si riferiscono alla separazione di miscugli solido_solido e solido_liquido. Separazione di un sistema solido_liquido I solidi a differenza dei liquidi hanno peso specifico e dimensioni superiori. Grazie a queste differenze in genere è possibile separare i solidi dai liquidi in base alle tecniche di separazione: Decantazione (peso specifico dei solidi superiore, gravità): Fisica; Centrifugazione (peso specifico dei solidi superiore, gravità): Fisica; Filtrazione (dimensione delle particelle dei solidi superiore): Fisico-meccanica; Flottazione (le particelle si separano per gorgogliamento mediante aria o agenti flottanti ): Chimico-fisica. Nel caso di particelle solide aventi peso specifico e dimensioni troppo piccole (pochi µm), le normali tecniche di separazione non sono in grado di separare si ricorre all ultrafiltrazione e all ultracentrifugazione. Per le particelle di millesimi di micrometro si ricorre alla tecnica dell osmosi inversa.
La decantazione sfrutta il differente peso specifico delle particelle solide da quelle liquide e l azione della forza di gravità (vedi legge di Stokes). Il problema della decantazione è legato alla lentezza con cui le particelle sedimentano, a meno che non siano molto pesanti. Il vantaggio di questa tecnica è che ha un costo molto basso ma tempi di separazione molto lunghi. Una sospensione posta in un recipiente a riposo è caratterizzata dalla fase disperdente: la massa volumica ρ 1 (Kg/m 3 ); la viscosità η (Pa s). La particella della fase dispersa è caratterizzata da: la massa volumica ρ (Kg/m 3 ); Il volume V (m 3 ); la forma. Decantazione Forza risultante del peso della particella e della spinta di Archimede (F 1 ) F 1 = V (ρ - ρ 1 ) g (N) ossia m 3 (Kg/m 3 ) (m/s )=kg (m/s )=N; Forza risultante dall forza d attrito che si oppone allo spostamento dalla particella (F ) fino al limite rappresentato da F 1 +F =0 A questo limite del valore di F corrisponde una V s che (velocità di sedimentazione), siccome l accelerazione è molto breve, la velocità di sedimentazione è raggiunta immediatamente. La velocità di sedimentazione dipende dalle dimensioni delle particelle nella fase disperdente questo regime di moto è caratterizzato dal numero di Reynolds: Re=(D v ρ 1 )/η ; D=diametro della particella; v=velocità della particella; ρ 1 =massa volumica; η=viscosità della fase disperdente; Se la sospensione è diluita e non ci sono interazioni tra il numero delle particelle l equazione di Newton è in funzione dell equazione di Reynolds, quindi: Ne= f(re);
Abaco per il calcolo della velocità di decantazione di particelle sferiche Determinazione della velocità terminale di una particella sferica: D P, r P, r f e h f noti. Si calcola il numero di Archimede con la relazione: Il valore del numero di Archimede consente di risalire al Numero di Reynolds, utilizzando l'abaco. Dal valore del numero di Reynolds si risale alla velocità di decantazione: v L = N Re / (D p f ) Determinazione del diametro di una particella che si separa: v L, P, f e f noti. Si valuta N Ne /N Re con la relazione: Quindi si determina il corrispondente N Re usando l'abaco. Dal valore del numero di Reynolds si risale al diametro delle particelle che si separano: D p = N Re / (v L f )
Una particella che sedimenta per decantazione è animata da un movimento che dipende dalla velocità di sedimentazione (v s ) e dalla velocità di sospensione nel decantatore (v p ). Nel caso di una sospensione ideale al velocità del passaggio nel decantatore è costante (sospensione ideale: a T costante, diluita e omogenea). La sedimentazione si basa sul processo di decantazione per gravità; la velocità dell acqua deve essere molto bassa per permettere alle particelle solide di decantare, quindi si attua in grandi recipienti che consentano un lungo tempo di permanenza. La velocità di sedimentazione dipende dalle dimensioni delle particelle, dalla loro densità e dalle condizioni di moto del liquido. Ci sono tre principali tipologie di chiarificatori per gravità: a flusso ascendente, radiale, orizzontale. Sedimentatori a flusso radiale se ne possono trovare di vari tipi: ad alimentazione centrale (più comuni) o periferica. I chiarificatori ad alimentazione centrale hanno quattro zone distinte ognuna con una funzione ben definita. Nella zona centrale di ingresso si ha la riduzione di velocità del liquido. La zona di sedimentazione dev essere di dimensioni tali da consentire una bassa turbolenza favorendo la sedimentazione. La sezione di uscita consente il prelievo dell acqua per tracimazione aumentandone la velocità ed immettendola nella tubazione. La quarta zona permette la raccolta del fango sedimentato dal fondo senza disturbare la sedimentazione. Il fondo solitamente è conico con un angolo da 5 a 8. Mediante un raschiatore, il fango depositato sul fondo viene lentamente convogliato verso il centro. Se viene effettuato un trattamento chimico (es. chiariflocculazione) si può creare un riciclo di una parte del fango prelevato dal fondo immettendolo al centro assieme all alimentazione.
L Sedimentatori a flusso orizzontale a bacino rettangolare (a forma di parallelepipedo) hanno l ingresso e l uscita del liquido dalle due estremità opposte. Tipicamente il rapporto tra lunghezza e larghezza è di 4:1. Le schiume ed i fanghi vengono rimossi mediante dei raschiatori che devono muoversi lentamente per evitare turbolenze. Un vantaggio di questo tipo di sedimentatori è il basso costo. Il tempo di sedimentazione deve essere inferiore al tempo di permanenza). Uscita del fluido Ts<Tp h v s v p v p v s l V lim =v s S Uscita del flusso decantato Uscita del sedimento Sedimentatori a flusso ascendente: l immissione dell acqua avviene sotto il livello del liquido e sopra il livello di formazione dei fanghi, all interno di un deflettore cilindrico, con una componente verticale ascendente. L acqua quindi è costretta ad invertire il senso scendendo ed oltrepassando il deflettore. Quindi risale lasciando precipitare i solidi per azione della gravità e per effetto centrifugo.
CHIARIFLOCCULATORI A RICICLO E A LETTO DI FANGO Entrambi i tipi combinano il mescolamento dei reattivi chimici, la flocculazione e la sedimentazione in una unica unità suddivisa solitamente in modo concentrico in due o tre zone. Nella zona centrale di contatto con i reagenti la concentrazione del solido è normalmente 100 volte superiore a quella che si deve mantenere in una chiarificazione semplice. Questa alta concentrazione favorisce la reazione di destabilizzazione delle cariche e l ingrossamento dei fiocchi. In questa zona centrale è posizionato l agitatore che, oltre a favorire il contatto dell acqua con i reagenti, permette una circolazione del fango tra la zona di flocculazione e la zona di coagulazione. Questo tipo di chiariflocculatore combina le due soluzioni: il riciclo dei fanghi ed il passaggio dell effluente in un letto di fanghi in sospensione. L aggiunta dei reagenti coagulanti e flocculanti avviene nella camera di reazione assieme all alimentazione; questi sono riciclati mediante una pompa ad elica tra la camera di reazione e la camera di flocculazione (concentrica alla precedente). Dalla camera di flocculazione l effluente passa alla camera di chiarificazione attraversando il letto di fanghi.
Un ultimo esempio di chiarificatore per gravità è costituito da un serbatoio rettangolare nel quale il fango decantato sul fondo viene rimosso mediante un sistema di raschiatura a catena circolare. Questo sistema permette di rimuovere fanghi anche molto densi. Non può essere impiegato se i solidi che decantano sono troppo leggeri; infatti il movimento del raschiatore potrebbe rimuovere parte del fango rimescolandolo con l acqua chiarificata.
Centrifugazione Concettualmente la centrifugazione è del tutto analoga alla decantazione, l unica differenza sostanziale è che la forza di gravità viene sostituita dalla forza centrifuga. La possibilità di utilizzare elevate forze centrifughe consente notevolmente di velocizzare il processo di separazione. D altro canto i costi d impianto di centrifugazione industriale sono superiori a quelli di un impianto analogo di decantazione. Uno dei vantaggi dell impianto di centrifugazione è quello di separare due liquidi immiscibili tra loro aventi differente densità. Un esempio pratico di applicazione lo si trova nell industria olearia, dove un impianto di centrifugazione permette la separazione dell olio dall acqua di vegetazione e dalla morchia (frazione solida). IN DEFINITIVA: Alle sospensioni viene applicato un campo gravitazionale artificiale attraverso la rotazione ad alta velocità (Campo centrifugo). Viene sfruttata la differenza di densità tra le particelle ed il mezzo in cui sono sospese. Il CAMPO CENTRIFUGO G è dato da: Dove è la velocità di rotazione (angolare) espressa in radianti s -1 r è la distanza dall asse di rotazione. Per esprimere la velocità di rotazione in giri min -1 (RPM): 4 G Il campo centrifugo viene quindi definito come: G r RPM 60 ( RPM 3600 ) r
F Campo centrifugo relativo In genere il campo centrifugo viene espresso come campo centrifugo relativo (RCF) o Z (coefficiente o numero di g) come multiplo della costante gravitazionale (980 cm s - ): G 4 ( RPM ) RCF r g 3600 980 Velocità di sedimentazione 4 3 a 3 F 0 v 6 Per F = F 0 il moto è rettilineo uniforme a F 4 a 3 3 ( p ) r m Velocità di sedimentazione della particella Costante per una sfera Raggio della particella 9 a ( ) p m Densità della particella Viscosità del mezzo r Densità del mezzo Campo gravitazionale