Modulo 0.4: Richiami di componentistica Filtri...4 Granulometria Molto importante nella separazione...
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Modulo 0.4: Richiami di componentistica
Filtri
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Ing. Marco Pellegrini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
Corso di Impianti Meccanici
Laurea Triennale e Magistrale
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Generalità
Agenda
Filtri
Separatori inerziali
Filtri a tessuto
Separatori elettrostatici
Separatori a umido
Confronto sistemi filtranti
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Generalità
Le particelle sospese in una corrente fluida possono essere campionate mediante
appositi sistemi di misura, e vengono classificate in base al loro diametro
aerodinamico equivalente. Il diametro aerodinamico equivalente di una particella è
definito come il diametro di una sfera di densità unitaria (ρ = 1000 kg/m3) che ha lo
stesso coefficiente di resistenza aerodinamico Cr (definito dalla legge di Stockes) della
particella in questione.
Si utilizza spesso l’identificativo PM, abbreviazione di Particulate Matter, seguito dal
diametro aerodinamico massimo delle particelle.
Ad esempio si parla di PM10 per tutte le particelle con diametro inferiore o uguale a
10 µm e di PM2,5 per tutte le particelle con diametro inferiore o uguale a 2,5 µm. Il
PM2,5 è, ovviamente, un sottoinsieme del PM10.
Qualunque sistema di separazione deve poter incidere sull’energia cinetica della
particella, annullandola o almeno riducendola fortemente. Questo si ottiene mandando
le particelle ad urtare contro mezzi diversi, solidi, fluido, ecc… I vari sistemi si
differenziano tra loro per le modalità con le quali le particelle vengono guidate
all’ostacolo.
Filtri: generalità
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Granulometria
Molto importante nella separazione delle particelle è conoscerne la
composizione granulometrica, costituite in genere da una miscela di
elementi di diverse forme e dimensioni.
Uno dei modi più semplici per determinare la granulometria di un
quantitativo noto, ad esempio, di polveri contenute in aria, è la
setacciatura. Le polveri vengono inserite in una serie di setacci con
maglie di dimensioni via via decrescenti, posizionati su un
basamento che li mette in vibrazione.
Le polveri di dimensioni maggiori vengono trattenute dai setacci
superiori, mentre le polveri più fini arrivano ai settaci a maglia più
stretta.
Sui setacci si possono avere delle spazzole che favoriscono il
passaggio delle particelle più fini attraverso la maglia del setaccio. A
volte vengono identificati tramite la dimensione dl passaggio in mm,
altre volte viene dato il ‘’numero di mesh’’, ovvero il numero di fili
della trama che si hanno per pollice quadrato
Con granulometrie molto fini, per un’analisi quantitativa del
particolato formatosi, si utilizzano laser o impattori.
Filtri: generalità
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Generalità
Separatori inerziali
Agenda
Filtri
Filtri a tessuto
Separatori elettrostatici
Separatori a umido
Confronto sistemi filtranti
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Separatori inerzialiSeparatori inerziali
Nei sistemi ad inerzia il fluido portante subisce
una serie di deviazioni, che le particelle non
riescono a seguire completamente a causa
delle forze di inerzia dovute alla loro massa.
Finiscono così contro ostacoli o pareti esterne,
perdono energia cinetica e precipitano verso le
tramogge di scarico e le coclee di estrazione.
Tra i sistemi di separazione inerziale particolarmente importanti ci sono quelli basato
sulla forza centrifuga. Il fluido viene sottoposto a moto rotatorio sicché le particelle
vengono sottoposte a forze di inerzia centrifughe che le spingono ad urtare contro la
parete del contenitore.
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Separatori a Ciclone
Nei separatori a ciclone si provoca un vortice in una camera cilindrica. Si
introduce il fluido tangenzialmente dall’alto imprimendogli una forte componente
tangenziale e una modesta componente verso il basso della velocità.
Le particelle centrifugate contro la parte cilindrica vengono frenate nel loro moto
rotatorio scendendo ad elica verso il fondo. Il fluido che le accompagna, giunto
alla zona conica che ne riduce la traiettoria, acquista velocità e forma un vortice
più stretto che risale allo scarico coassiale con l’involucro.
Camere di depolverazione
Nei sistemi a caduta vengono ridotte fortemente le velocità del fluido portante e delle particelle.
Si riduce la resistenza al moto delle particelle ma anche la portanza, sicché la particella scende,
in un moto combinato, sotto l’azione della gravità e finisce contro il fondo del contenitore o altre
pareti, cedendo la già modesta energia cinetica.
Separatori inerziali
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Generalità
Separatori inerziali
Agenda
Filtri a tessuto
Filtri
Separatori elettrostatici
Separatori a umido
Confronto sistemi filtranti
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I filtri contemplati dalle norme sono suddivisi in:
grossolani
fini
assoluti HEPA (High Efficiency Particulate Air filter)
ULPA ( Ultra Low Penetration Air filter)
Efficienze di filtraggio dalla uni en EN 1822-1:2009 (slide 11)
I depolveratori industriali non sono contemplati dalle norme, per essi
sono state create opportune tabelle basate sull’esperienza in campo
Classificazione dei filtri
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Classificazione dei filtri CEN EN 779-2002
“Determinazione della prestazione di filtrazione”
La norma contiene i requisiti che i filtri d’aria antipolvere devono possedere:
- arrestanza dei filtri grossolani
misurazione della capacità (% in peso) di un filtro di trattenere una polvere
standardizzata di prova, in sospensione nel flusso di aria che lo attraversa
- efficienza dei filtri fini
rapporto tra il numero di particelle aventi un certo diametro trattenute rispetto al numero
di particelle a monte del filtro aventi lo stesso diametro (espresso in %)
Descrive i metodi di prova e l’impianto di prova per la misura delle prestazioni del filtro,
con particolare riferimento alle perdite di carico nell’attraversamento del filtro
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Classificazione dei filtri
CEN EN 1822
“ Filtri aria a particelle per alta ed altissima efficienza (HEPA e ULPA).Classificazione, prove di prestazione e marcatura”
La norma si applica ai filtri aria a particelle per alta ed altissima efficienza
e a bassissima penetrazione (HEPA e ULPA).
Essa definisce un procedimento per la determinazione dell’efficienza sulla base
di un metodo di conteggio delle particelle per mezzo di un aerosol liquido di
prova e permette di classificare i filtri in funzione della loro efficienza.
Secondo tale norma i filtri vengono classificati in:
- gruppo H: filtri HEPA (da H10 a H 14) con efficienze tra (8599,995) %
- gruppo U: filtri ULPA (da U 15 a U 17) con efficienze tra (99,999599,999995)%
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Classificazione dei filtri
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Classificazione dei filtri
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Filtri a tessuto
Filtri a tessuto
Questi filtri sono costituiti da materiali fibrosi.
Questi filtri possono trattenere particelle dalle dimensioni
inferiori a quelle degli interstizi. Le particelle, infatti,
possono essere intercettate dalle fibre non solo per
l’impossibilità di infilarsi nei vani, ma soprattutto per urto
diretto contro le fibre o indotto per inerzia dalle deviazioni
subite dal fluido portante.
Con il depositarsi delle prime polveri, il filtro migliora perché presenta più accidentalità e
vani più piccoli, ma, in seguito, si hanno eccessive cadute di pressione.
Sorge così il problema della pulizia dei filtri. A questo scopo di solito i piccoli filtri sono tutti
smontabili, mentre i filtri più importanti sono di tipo autopulente. Nel filtro a sbattimento
meccanico di figura a), si provoca l’agitazione delle maniche a mezzo di dispositivi meccanici,
biellette, camme, sistemi vibranti (M). In quello a pulizia pneumatica di figura b), quando la
perdita di pressione raggiunge un determinato valore, viene immessa aria compressa attraverso
elettrovalvola V in elementi toroidali T che scendono verso il basso.
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Generalità
Separatori inerziali
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Filtri a tessuto
Separatori elettrostatici
Filtri
Separatori a umido
Confronto sistemi filtranti
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Separatori elettrostatici
Separatori elettrostatici
La carcassa è portata a terra e un elettrodo centrale caricato è
mantenuto ad un potenziale molto elevato (migliaia di Volt).
Il gas interposto tra i due elettrodi viene così ionizzato. Gli ioni
gassosi negativi, ionizzano le particelle solide del gas polveroso
entrante, che, quindi, si caricano positivamente, vengono attratte
dall’elettrodo costituito dall’involucro, lo urtano riducendo
l’energia cinetica, gli cedono la carica elettrica e scendono al
fondo.
Il filtro funziona tanto meglio quanto più bassa è la concentrazione di particolato. Per portate
elevate si ricorre a separatori costituiti da una serie di piastre parallele tra loro con fili carichi
interposti. I separatori elettrostatici presentano un elevato costo di impianto dovuto soprattutto
all’isolamento elettrico in presenza di alte tensioni. Erano la principale tecnologia competitor dei
filtri a tessuto poiché 30 anni fa quest’ultimi non potevano sopportare elevate temperatura,
mentre i separatori elettrostatici sono composti da soli componenti metallici.
Oggi, grazie all’esistenza di tessuti che possono resistere ad oltre 300°C, si preferisce utilizzare
filtri a tessuto, evitando i problemi correlati all’alta tensione.
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Agenda
Filtri
Generalità
Separatori inerziali
Filtri a tessuto
Separatori elettrostatici
Separatori a umido
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Separatori a umido
Separatori a umido
Nei separatori ad umido le particelle solide
vengono separate venendo a contatto con schermi
d’acqua o superfici bagnate.
Vengono create goccioline dell’ordine dei 100 µm
che pervadono l’ambiente di passaggio e
inglobano le particelle solide, rendendo più
semplice l’operazione di separazione.
Si ha la possibilità di separare anche in presenza
di fluidi pericolosi ed aggressivi e di utilizzare
composti basici come soda o calce per
neutralizzare i componenti acidi eventualmente
presenti.
Esistono architetture (a) munite semplicemente di ugelli di lavaggio e filtro per trattenere le
goccioline d’acqua, o architetture (b) dove le particelle vengono intercettate da veli d’acqua che
scendono dai piatti.
Risulta necessario trattare l’acqua uscente arricchita di particelle in sospensione.
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Separatori a umido
Meccanismi di cattura nei filtri a umido
Impatto per inerzia
Quando la corrente gassosa cambia direzione, le particelle
solide sospese deviano dalle linee di corrente a causa della
loro inerzia e terminano sulla superficie filtrante.
Agisce su particelle con diametro superiore a 1 μm.
Intercettazione
L’intercettazione avviene quando si verificano due condizioni:
1. la particella solida segue la linea di corrente del gas;
2. il suo centro è a una distanza minore o uguale del raggio
della particella stessa rispetto la superficie bagnata.
Agisce su particelle con diametro compreso tra 0.1 e 1 μm.
Diffusione browniana
Quando le particelle solide sono sufficientemente piccole, la
loro cattura è determinata da un moto casuale dovuto al
bombardamento da parte delle molecole del gas.
Agisce su particelle con diametro inferiore a 0.1 μm.
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Separatori a umido
Scrubber con ugelli di lavaggio
Considerando un consolidato modello matematico
(Lee et al., Particle removal efficiency of gravitational
wet scrubber considering diffusion, interception and
impaction), l’efficienza di cattura dei singoli
meccanismi determinata da ogni singola goccia è
data da:
𝜂𝑖𝑛𝑡 =1 − 𝛼
𝐽 + 𝜎𝐾
𝑅
1 + 𝑅+1
2
𝑅
1 + 𝑅
2
(3𝜎 + 4)
𝜂𝑖𝑚𝑝 =𝑆𝑡
𝑆𝑡 + 0.35
2
𝜂𝑑𝑖𝑓𝑓 = 0.74
3
1 − 𝛼
𝐽 + 𝜎𝐾
Τ1 2
𝑃𝑒− Τ1 2 + 23𝜋
4 𝑃𝑒
Τ2 3)1 − 𝛼 (3𝜎 + 4
𝐽 + 𝜎𝐾
Τ1 3
Impatto
Intercettazione
Diffusione
𝐷 = diametro della goccia
𝐷𝑝= diametro della particella solida
𝑆𝑡 =𝜌𝑝𝐷𝑝
2𝐶𝐶𝑈𝑟
18 𝜇 𝐷= numero di Stokes
𝑅 =𝐷𝑝
𝐷= parametro di intercettazione
𝛼 = frazione di volume occupata dal liquido
𝜎 =𝜇𝐿
𝜇𝐺= rapporto tra viscosità di liquido e gas
𝐾 = 1 −9
5𝛼1
3 + 𝛼 −1
5𝛼2= parametro idrodinamico
𝐽 = 1 −6
5𝛼1/3 +
1
5𝛼2 = parametro idrodinamico
𝑃𝑒 =𝑈𝐷
𝒟= numero di Peclet
𝒟 =ƙ𝑇𝐶𝐶
3𝜋𝜇𝐷𝑝= diffusività
𝑈𝑟 = velocità relativa tra gocce e gas
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Separatori a umido
Parametri influenti
𝐷= 150 μm𝑈𝑟 = 75 m/s
𝐷= 15 μm𝑈𝑟 = 12 m/s
𝐷= 150 μm𝑈𝑟 = 12 m/s L’efficienza per ogni meccanismo è
definita per ogni dimensione della
particella 𝐷𝑝:
• all’aumentare della velocità relativa tra
liquido e gas 𝑈𝑟, migliora notevolmente
l’efficienza di impatto per particelle con
diametro maggiore a 1 µm, mentre
intercettazione e diffusione rimangono
basse;
• al diminuire del diametro della goccia 𝐷,
migliorano l’efficienza di intercettazione e
di impatto per particelle con diametro
maggiore di 0.5 µm, e quello di diffusione
per diametri inferiori a 0.05 µm.
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Separatori a umido
Scrubber con riempimento di sfere
In maniera simile al caso delle gocce di acqua, l’efficienza di cattura dei meccanismi
determinata da ogni singola sfera è data da (Lee et al., Particle collection mechanism pertinent
to granular bed filtration):
Impatto
Intercettazione
Diffusione
𝐷 = diametro delle sfere
𝐷𝑝= diametro della particella solida
𝑆𝑡 =𝜌𝑝𝐷𝑝
2𝐶𝐶𝑈𝑟
18 𝜇 𝐷= numero di Stokes
𝑅 =𝐷𝑝
𝐷= parametro di intercettazione
𝛼 = frazione di volume occupata dale sfere
𝐾 = 1 −9
5𝛼1
3 + 𝛼 −1
5𝛼2= parametro idrodinamico
𝛾 =1+2𝛼
3−3𝛼= parametro idrodinamico
𝑃𝑒 =𝑈𝐷
𝒟= numero di Peclet
𝒟 =ƙ𝑇𝐶𝐶
3𝜋𝜇𝐷𝑝= diffusività
𝑈𝑟 = velocità relativa tra gocce e gas
𝜂𝑑𝑖𝑓𝑓 = 3.51 − 𝛼
𝐾
Τ1 3
𝑃𝑒− Τ2 3
𝜂𝒊𝒏𝒕 = 1.51 − 𝛼
𝐾
𝑅2
1 + 𝑅 𝛾
𝜂𝑆𝑡 =𝑆𝑡
𝑆𝑡 + 0.25
2
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Separatori a umidoParametri influenti
Si considera l’efficienza totale (somma dei
rendimenti dei singoli meccanismi):
• al diminuire del diametro delle sfere 𝐷,
migliora l’efficienza totale di cattura per tutti i
diametri delle particelle;
• all’aumentare del grado di pieno 𝛼(aumentando la portata di acqua che ricopre
il riempimento di sfere), il rendimento di
cattura aumenta per tutti i diametri delle
particelle.
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Vantaggi:
• elevate efficienze per granulometrie fini,
• possibilità di operare con gas caldi ed umidi,
• modesti costi di impianto.
Scrubber Venturi
Il condotto convergente-divergente richiama la
corrente polverosa per effetto Venturi e si realizza un
flusso ad alta velocità.
Dell’acqua viene atomizza nella sezione di gola
umidificando l’aria e creando una sospensione di
goccioline. Nel tratto divergente si ha condensazione
di parte dell’acqua evaporata con formazione di
ulteriori goccioline.
Le polveri vengono intrappolate nelle goccioline e
risultano più facili da separare.
Svantaggi:
• elevate perdite di carico,
• trattamento dei reflui liquidi e fanghi,
• limiti sulla portata dei fumi.
Separatori a umido
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Valori orientativi di perdite di carico e rendimenti di separazione per separatori a
umido
Separatori a umido
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Agenda
Filtri
Generalità
Separatori inerziali
Filtri a tessuto
Separatori elettrostatici
Separatori a umido
Confronto sistemi filtranti
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Prestazione dei diversi sistemi di filtrazione
Le prestazioni di ciascuno dei sistemi di filtrazione vengono valutate in base a diversi
parametri tra cui:
• efficienza di separazione ponderale,
• minimo diametro delle particelle separabile,
• carico di particelle ammesso.
TipologiaEfficienza di separazione
ponderale (%)
Minimo diametro
separabile (m)
Carico di particelle
ammesso (mg/m3)
Cicloni 85 10 2000*
Scrubber 90 5 2000
Separatori a maniche 99 1 500
Precipitatori elettrostatici 95 2 200
(* il carico aumenta per cicloni ad alta carica di attraversamento come, ad esempio, quelli utilizzati per scaricare materiale
dalle navi o nella sezione finale di un trasporto pneumatico)
Confronto sistemi filtranti