I riassunti , gli appunti i testi contenuti nel nostro sito sono messi a disposizione gratuitamente con finalità illustrative didattiche, scientifiche, a carattere sociale, civile e culturale a tutti i possibili interessati secondo il concetto del fair use e con l' obiettivo del rispetto della direttiva europea 2001/29/CE e dell' art. 70 della legge 633/1941 sul diritto d'autore
Le informazioni di medicina e salute contenute nel sito sono di natura generale ed a scopo puramente divulgativo e per questo motivo non possono sostituire in alcun caso il consiglio di un medico (ovvero un soggetto abilitato legalmente alla professione).
La centrifugazione risulta particolarmente utile per la separazione di miscele solido-liquido o liquido-liquido e copre una vasta gamma di applicazioni: dalla separazione di liquidi di differente densità alla disidratazione. In particolare permette di aumentare la velocità e l’efficienza delle operazioni di sedimentazione, filtrazione e chiarificazione, col vantaggio di poter disporre di apparecchiature di ingombro ridotto e, se necessario, sterili.
La sedimentazione per centrifugazione consente separazioni tra solidi e liquidi molto più spinte della sedimentazione semplice, sia per la maggiore velocità con cui avvengono le operazioni (e quindi maggiori produttività) sia per la minore quantità di liquido che accompagna i soliti separati. Le notevoli forze che si sviluppano durante la centrifugazione permettono inoltre la separazione di sostanze di densità molto simile, che difficilmente potrebbero venire separate per sedimentazione.
La filtrazione per centrifugazione ha notevoli vantaggi rispetto ad altri metodi di filtrazione: lo spazio utilizzato è notevolmente inferiore rispetto ai filtri a gravità, che necessitano, per aumentare le proprie potenzialità, di grosse superfici o di grosse differenze di pressione. Altri vantaggi rispetto a differenti sistemi di separazione derivano dalla flessibilità e possibilità di riutilizzo delle medesime apparecchiature in diverse operazioni e fasi delle produzioni industriali, facilitate anche da una maggiore possibilità di spostamento.
La separazione per centrifugazione è basata sulla differenza di densità esistente tra corpi che devono essere separati, la quale viene esaltata dalla forte velocità angolare cui questi corpi sono sottoposti. Con tale operazione la velocità del processo di sedimentazione o di filtrazione viene aumentata mediante la creazione di un campo di forze centrifughe, analogo a quello gravitazionale, ma con intensità molto superiore. E’ dunque possibile impiegare la centrifugazione sia per la separazione di miscele solido liquido, sia per separare miscele di liquidi a differente densità. Questa operazione viene svolta mediante le centrifughe che, nella loro forma più elementare ,sono dei recipienti di forma cilindrica o comunque simmetrica rispetto ad un asse, attorno al quale possono ruotare con velocità angolare anche elevatissima, azionate da opportuni sistemi di motori e moltiplicatori di giri. Tutti i componenti di un sistema che contiene una o più particelle sospese in fase liquida inserita in un contenitore cilindrico ruotante, oltre ad essere soggette alla forza gravitazionale, subiscono l’azione della centrifuga; è tale forza che causa la migrazione radiale verso la parete del cilindro delle particelle più dense del liquido e che ne causa il passaggio attraverso il contenitore se esso è forato o permeabile (filtrazione centrifuga).Considerando l’unità di massa di fluido entro il recipiente le forze agenti sono quindi:
ove: m è la massa dell’elementino di fluido considerato r è la sua distanza dall’asse, w è la velocità angolare cui è soggetto il recipiente.
L’intensità della forza centrifuga è proporzionale al raggio r e al quadrato della velocità di rotazione w della centrifuga. Risulta quindi evidente il vantaggio di operare con elevate velocità di rotazione mantenendo limitate le dimensioni delle apparecchiature, compatibilmente con le sollecitazioni che queste possono sostenere.
Al fine di paragonare tra loro le due forze citate caratteristiche del fenomeno, ne introduciamo il rapporto, detto anche coefficiente centrifugo o potere centrifugo RCF (relative centrifugal force). Nell’ipotesi di esprimere la velocità angolare w in termini di giri al minuto n si avrà:
n = numero di giri al minuto
r = coordinata radiale
R = raggio del paniere
L’RCF risulta particolarmente utile come elemento do paragone tra differenti centrifughe di uso industriale, ed è utilizzabile come metodo di classificazione tra diversi modelli di centrifughe, come si vede in tab. I:
tipo di centrifuga |
RCF |
filtro centrifugo |
300/2000 |
decantatore centrifugo |
1000/5000 |
separatore centrifugo |
6000/11000 |
centrifuga tubolare |
15000/50000 |
ultracentrifuga |
20000/100000 |
Tab. I Classificazione delle centrifughe
L’RCF impiegato nelle centrifughe industriali varia da circa 200 per le centrifughe a grandi cesti, fino a circa 25000 per le ultracentrifughe analitiche. Il diametro dei panieri varia con io modello di apparecchiatura e può essere superiore al metro. Aumentare RCF significa in ultima analisi, aumentare il numero di giri al minuto: ciò inevitabilmente comporta il rischio di andare incontro a problemi di resistenza meccanica della struttura. Per potere installare un numero di giri elevato si devono necessariamente ridurre diametri e le dimensione della struttura; al crescere di n e quindi di RCF si va sempre più verso apparecchiature contenute. Come regola generale perciò, per un migliore approccio ai problemi di resistenza meccanica dell’albero e della apparecchiatura nel suo complesso, una centrifuga di grandi dimensione girerà relativamente piano, una di dimensioni ridotte girerà più velocemente. Nelle centrifughe si generano in definitiva delle sollecitazioni che obbligano a costruzioni solide, con notevoli spessori dei panieri, i quali vengono calcolati in maniera analoga a quella seguita per recipienti cilindrici che debbono resistere a forti pressioni interne.
Il lento sviluppo di una teoria generale sulla centrifugazione è dovuto alla complessità delle azioni fluidodinamiche che intervengono sul fenomeno, correlato all’assenza di modelli matematici semplici e soddisfacenti. Il modello semplificato che si andrà a prendere in considerazione è basato su due assunzioni:
La prima assunzione nasce dal fatto che la centrifugazione risulta fortemente influenzato dalle caratteristiche geometriche dell’apparecchiatura ed è pressocchè indipendente dal sitema. La seconda, invece, scaturisce dall’evidenza fisica che un campo di forze centrifughe agisce su una miscela allo stesso modo del campo gravitazionale; tuttavia, mentre il primo può essere modificato cambiando la velocità di rotazione o la geometria, il secondo resta sostanzialmente costante.
Il primo problema che si andrà a considerare concerne la geometria del pelo libero del liquido all’interno del paniere della centrifuga.
Nell’ipotesi di avere una centrifuga con asse di rotazione verticale, ciascuna porzione elementare di liquido in essa contenuta è sottoposta sia alla forza peso che a quella centrifuga. In corrispondenza della superficie libera del liquido la risultante delle due forze è perpendicolare alla superficie medesima e, assunto un sistema di riferimento cartesiano piano x-y (data la simmetria radiale) con l’asse y coincidente con l’asse di rotazione, si può scrivere la seguente relazione:
separando le variabili e integrando si ottiene:
(parabola)
dove y0 può assumere qualunque valore (fig. 1).
Fig. 1
Se il vertice della parabola si trova sul fondo del paniere è y0=0, al di sopra y0>0, al di sotto y0<0. Il calcolo di y0 presuppone la conoscenza del volume di liquido presente, dell’altezza della centrifuga, del suo raggio e della velocità angolare.
In particolare si osserva che aumentando la velocità angolare w la parabola tende ad allungarsi: per alti valori di w, la forza centrifuga diventa preponderante rispetto a quella gravitazionale, per cui il profilo della superficie libera, ortogonale in ogni punto alla risultante di tali forze, tende a disporsi lungo la verticale. Si ottengono pertanto valori di y0<0 al limite per w®¥ si avrà y0®-¥.
Il vertice della parabola è in questo caso talmente lontano e sotto il fondo del paniere, che si può ritenere con buona approssimazione che le superfici liquide o le particelle solide contenute nella centrifuga si dispongano all’interno del cesto, come un anello cilindrico coassiale al paniere; più precisamente dopo un certo tempo, si potranno individuare piu anelli cilindrici a causa della stratificazione dovuta ai differenti valori di densità delle sostanze coinvolte nell’operazione.
Nel caso si voglia definire la distribuzione delle particelle solide presenti in un liquido, si deve tenere conto anche della forza di Archimede cui sono soggette le particelle. La distribuzione, pur restando parabolica, assume tuttavia la seguente espressione:
Il calcolo dell’ordinata y0 nell’equazione vista in precedenza, necessita la conoscenza della quantità di torbida contenuta nel paniere. Nel caso di paniere discontinuo o batch tale valore è variabile nel tempo; viceversa in un paniere continuo, in condizioni stazionarie tale valore resta costante.
Pertanto per la determinazione dell’ hold up di liquido e del corrispondente valore y0 è necessario operare la distinzione seguente:
a) con paniere batch
b) con paniere continuo.
a) paniere batch. Non essendo in condizioni stazionarie al variare del tempo, varierà l’hold up di liquido nel cesto e, corrispondentemente, il valore di yo. Nell’ipotesi di conoscere l’hold up iniziale VL0 (t=0), nonchè la velocità di filtrazione in funzione del tempo, mediante un semplice bilancio materiale siamo in grado di stabilire l’andamento dell’hold up nel tempo:
(in questa formulazione sono considerati l’hold up istantaneo, quello iniziale e la velocità di filtrazione).
A questo punto, noto VL(t) e ovviamente la geometria del cesto, abbiamo tutti gli elementi necessari per il calcolo di y(t). Per un generico istante t possiamo infatti scrivere:
VL(t)= VC- VP(t)
avendo indicato con
VL(t) l’hold up istantaneo della torbida al tempo t
VC il volume geometrico del cesto (costante al variare di t)
VP(t) il volume del solido di rotazione (paraboloide) ottenuto immaginando di ruotare attorno all’asse y il profilo del liquido nel paniere.
In particolare
VC=pR2H
(si ricorda che l’espressione del profilo parabolico della superficie del liquido è y=(w2x2/2g)+y0 da cui x2=(2g/w2)(y-y0)
Si ottiene pertanto la seguente espressione:
VL=pR2H-(2g/w2)(y-y0)
R raggio del cesto
H altezza del cesto
VL=VL(t) hold up istantaneo nel cesto
y0=y0(t) ordinata del minimo istantaneo.
Dall’ultima equazione, noto VL(t) si è in grado di valutare y0(t).
b) paniere continuo. In presenza di un paniere continuo che lavora in condizioni stazionarie, il problema è più complesso: per valutare l’hold up di un liquido nel cesto è necessario sapere come e dove avviene lo scarico dal paniere (si osservi che si tratta in questo caso di un valore costante nel tempo poichè, nell’ipotesi di stazionarietà, si immette e si scarica la medesima portata).
Riferendosi ad una situazione semplice relativa alla separazione di due liquidi aventi diversa densità e immiscibili tra loro, la loro separazione si concretizza attraverso un’uscita con stramazzo dall’alto del paniere. La portata Q del liquido in uscita può essere espressa come il prodotto tra la sezione a corona circolare attraverso cui il liquido fuoriesce e la velocità media v con cui esso si muove. Si avrà pertanto:
Q= vp(R2-r02)
Nota inoltre l’altezza del paniere e l’espressione analitica del profilo del liquido in esso contenuto è noto anche il legame tra r0 e y0, per cui possiamo scrivere un’equazione nell’unica incognita y0. Posto y=H e x=r0 si avrà:
H= w2r02/2g+y0 Þ r02= (2g/w2)(H-y0)
da cui
Q= vp(R2-(H-y0) 2g/w2) cioè f(y0)= 0
Il valore corretto di y0 è quello in grado di azzerare questa funzione; infine noto questo valore basterà sfruttare una relazione precedente per conoscere l’hold up VL del liquido.
In presenza di una separazione solido-liquido, tali valutazioni sono tutt’altro che banali, in quanto il pannello filtrante ha una superficie variabile nel tempo che complica i calcoli. D’altra parte stabilire l’hold up di liquido nel paniere non è indispensabile: nella pratica infatti non è importante sapere quanto liquido giace nel cesto al fine di comprendere come si svolge l’operazione di filtrazione o di sedimentazione. Ciò che conta veramente è valutare come varia la pressione in senso radiale. Tale andamento ci permette infatti di valutare il salto di pressione che si ha, ad esempio, a cavallo del pannello (informazione essenziale nell’ambito di un problema di filtrazione). Tale salto di pressione è, del resto, indipendente dal profilo del liquido nel paniere.
La conoscenza precisa dell’hold up del liquido è necessaria, al contrario, in fase di dimensionamento meccanico dell’apparecchiatura: tanto maggiore è la quantità di liquido giacente, tanto maggiori saranno le sollecitazioni cui è sottoposta la parete del cesto. Per ragioni di resistenza meccanica non è pertanto opportuno avere a che fare con hold up troppo grandi.
In sede di progettazione è fondamentale conoscere l’entità delle sollecitazioni cui è soggetto il paniere rotante della centrifuga, onde poter determinare lo spessore delle pareti e il materiale da utilizzare.
Una analisi completa ed esatta è però un argomento complesso che trascende lo scopo di questa relazione. E’ possibile tuttavia, in prima approssimazione, sviluppare un modello semplice che consenta una stima degli sforzi.
E’ possibile scrivere la sollecitazione globale come somma di due termini distinti:
Nell’ipotesi che il rotore possa essere schematizzato con un cilindro cavo il cui spessore della parete sia piccolo rispetto al raggio, lo sforzo può essere quantificato usando la seguente relazione:
Ss=w2 ri2 rm
rm densità del materiale di costruzione del rotore
ri raggio interno del cilindro
Si abbia un cesto di raggio R ruotante unitamente al liquido in esso contenuto con velocità angolare w; sia inoltre y0 l’altezza del pelo libero del liquido in corrispondenza dell’asse y e H l’altezza del cesto. Sull’elementino di liquido di volume drdydn e densità r=g/g agiranno sia la forza centrifuga, sia la forza peso, e pertanto la pressione varierà sia radialmente che verticalmente. Applichiamo a tale volumetto le condizioni di equilibrio in direzione y ed in direzione r:
in direzione verticale si avrà:
in direzione radiale si ha invece:
Sommando membro a membro le due equazioni di equilibrio in direzione y ed r si ottiene:
-(dP/dy) dy-gdy-(dP/dr) dr+rw2rdr=0 (*)
Poichè la pressione è una funzione scalare del raggio e dell’altezza si ottiene:
P=P(y,r) Þ dP=(dP/dy) dy+(dP/dr) dr
confrontando la (*) con quest’ultima relazione si ottiene:
dP=rw2rdr-gdy=dPc+dPg
integrando tra P=P0 (pressione all’esterno del liquido) e P generica, tra r=0 e r generico e tra y=y0 e y generico, si ricava:
P(y,r)-P0=rw2r2/2-g(y-y0)
Tale relazione rappresenta l’espressione della pressione assoluta in un punto generico all’interno del liquido, posto ad una distanza r dal centro di rotazione e y dal centro del paniere. Da questa espressione si ricava che la pressione massima viene esercitata in corrispondenza dello spigolo sul fondo del paniere (y=0, r=R). Inoltre ponendo nell’ultima relazione P=P0, si avrà:
y=y0+rw2r/2g
Ponendo r/g=1/g e r=x, l’espressione ricavata rappresenta il luogo dei punti in cui la pressione eguaglia la pressione esterna, ossia il profilo parabolico secondo cui si dispone il liquido nel recipiente, equazione già ottenuta in precedenza.
Questo andamento mette in luce che il livello cui sale un determinato liquido nel cesto è tanto più alto quanto maggiori sono w ed r. Poichè non conviene avere grandi volumi di liquido nel cesto (per ragioni di resistenza meccanica) e poichè è necessario che l’altezza H del paniere abbia un valore elevato (il tempo di permanenza aumenta e così anche l’efficienza della separazione) si capisce come affinchè il volumetto di liquido possa raggiungere un’altezza y>H il raggio R del cesto debba essere piccolo e la velocità angolare w debba essere grande. Generalmente nel corso della centrifugazione, il contributo gravitazionale alla pressione P è molto minore del contributo centrifugo, quindi possiamo trascurare il primo rispetto al secondo e scrivere:
dP
dP=rw2r dr (#)
da cui integrando tra P0 e P nonchè tra r0 e r si ottiene
P-P0=rw2/2 (r2-r02)
si noti che porre uguale a zero il termine gravitazionale significa approssimare il profilo parabolico del pelo libero del liquido con un profilo rettilineo verticale (approssimazione accettabile).
Consideriamo ora la situazione in cui nel cesto della centrifuga siano presenti due fasi liquide immiscibili: la prima più leggera di densità r1 e la seconda più pesante di densità r2>r1.
La rapida rotazione del cesto fa si che i due liquidi si dispongano a strati praticamente verticali a ridosso della periferia (vedi fig. 2).
Fig. 2
Trascurando il termine gravitazionale ed integrando quindi la (#) tra P0 e P e tra r0 ed r, si ottiene l’andamento di pressione nel liquido leggero:
P-P0=r1w2/2 (r2-r0,12) con r0,1<r<r0,2
Ponendo in tale espressione r=r0,2 si ottiene la pressione P all’interfaccia liquido-liquido:
PI-P0=r1w2/2 (r0,22-r0,12)
L’andamento della pressione nel liquido più pesante si ottiene ancora integrando la (#) tra PI e P, e tra r0,2 ed r (si pone r=r2):
P-PI=r2w2/2 (r2-r0,22) con r0,2<r<R
Sommando membro a membro le due relazioni si ricava:
P-P0=w2/2 [r1 (r0,22-r0,12)+ r2 (r2-r0,22)] con r0,2<r<R
Questo è l’andamento della pressione nel liquido pesante in funzione della pressione esterna P0.
Se dovessimo calcolare la pressione agente sulle pareti laterali basta porre r=R, tenendo conto anche del contributo gravitazionale. Anche in questo caso il punto più sollecitato è lo spigolo di base.
Si pone ora il problema di asportare i due liquidi dal cesto separatamente. Si è pensato allora di introdurre nella parte superiore del paniere una sorta di diaframma, costituito da un disco orizzontale solidale con il cesto, ma dotato di un diametro inferiore recante un foro centrale posizionato in modo che il raggio r0,2 dell’interfaccia sia compreso tra il raggio del foro interno ed il raggio del disco. Così facendo, il liquido più leggero uscirà attraverso il foro centrale mentre quello più pesante uscirà attraverso la sezione anulare compresa tra il bordo del disco e la parete laterale del cesto. Si realizza in tale modo lo scarico separato dei due liquidi (fig. 3)
Fig. 3
Ciò che è importante è sapere posizionare opportunamente questo disco al fine di separare al meglio entrambi i liquidi; molto spesso ci si accontenta di riuscire ad ottenere una sola fase pura e di riciclare la restante parte. Si deve tenere presente inoltre che nei due canali di scarico la pressione regnante è P0.
Detto ciò, consideriamo un generico punto A all’ingresso del canale di scarico del liquido pesante, che si trovi sul prolungamento della verticale rappresentata dall’interfaccia I: trascurando come sempre il termine gravitazionale, la pressione nel punto A sarà ancora PI. Potremo perciò scrivere le due relazioni che seguono:
PI-P0=r2w2/2 (r0,22-rx2)
PI-P0=r1w2/2 (r0,22-r0,12)
da cui r2w2/2 (r0,22-rx2)=r1w2/2 (r0,22-r0,12)
e quindi 
Con questa formula siamo in grado di valutare la distanza, nel canale di scarico, del pelo libero del liquido pesante dall’asse di rotazione. Possiamo dare inoltre una stima della posizione migliore da dare al diaframma (in realtà la luce non c’è e tutto il condotto è riempito di liquido, ne consegue che rx rappresenta proprio la distanza del diaframma dall’asse di rotazione). Si noti inoltre che rx è indipendente da w: ciò comporta che anche quando siamo in fase di accensione (w bassa e crescente nel tempo) l’apparecchiatura è in funzione e quindi i due liquidi cominciano a separarsi fin dall’inizio.
Il valore r0,2 (raggio dell’interfaccia) è particolarmente importante perchè da esso dipende il grado di purezza dei liquidi separati, a parità di altri fattori. Al crescere di r0,2 diminuisce l’efficienza della separazione e il liquido più pesante diviene più impuro.
La grandezza fisica fondamentale di tale operazione unitaria è il tempo di permanenza (tperm) delle particelle solide nel cesto. Si tratta in pratica del tempo necessario ad esse per spostarsi dal centro alla periferia dove esse si raccolgono.
Condizione affinchè ci sia separazione solido-liquido è che:
tperm£(VL/Q)
VL= volume di liquido contenuto nel paniere
Q= portata volumetrica di liquido in ingresso
Se si trascura la forza gravitazionale, VL rappresenta il volume di un anello cilindrico (non la differenza tra il volume del cesto e quello del paraboloide):
VL= 2pRsH
R= raggio del liquido
s= spessore dell’anello liquido
H= altezza del cesto
La condizione diventa pertanto: tperm<2pRs(H/Q)
da cui Q<2pRs(H/tperm)
pertanto, note le dimensioni della centrifuga (H è strettamente legata per problemi di efficienza a w) ed il tempo di permanenza, siamo in grado di conoscere il valore limite massimo della portata di alimentazione necessario a garantire la separazione.
Calcoliamo ora il tempo di permanenza.
Ipotizziamo che il liquido da trattare contenga particelle solide aventi tutte il medesimo diametro dp. Riferendoci ad una di queste particelle è possibile scrivere l’equazione della dinamica nella direzione radiale r:
Fig. 4
Vprs(dv/dt)= Vp(rs-rl)w2r-(1/2)rlv2spf
rs densità del solido
rl densità del liquido
v velocità della particella
f fattore di attrito
spVp superficie e volume delle particelle
Supponiamo che la particella sia costantemente in condizioni di velocità limite asintotica, ovvero dv/dt= 0. Tale velocità varierà con r, infatti ricordando che:
Vp= pdp3/6 S= pdp2/4
f= 24/Re Re= rlvdp/ml
si ottiene:
vlimite= [dp2(rs-rl)w2r]/(18ml)= kr
Inoltre il campo di forza centrifuga non è uniforme:
alimite= alimite(r)= k(dr/dt)
alimite accelerazione limite
condizioni iniziali: r= r0 per t=0
Integrando l’equazione di moto e ponendo r=R si ottiene il tempo di permanenza:
tperm= (1/k)ln(R/r0)
Le centrifughe possono essere divise in due categorie: le centrifughe di massa per la separazione di miscele liquido/solido con alto contenuto di materiale solido e le centrifughe ad alta velocità per le separazioni liquido/solido o per l’asportazione di quantità ridotte di materiali solidi.
Ognuno di questi gruppi può essere suddiviso poi in altri tipi base, a seconda del metodo usato per la separazione dei materiali solidi, ed infine in modelli specifici in base alle capacità ed alle caratteristiche particolari di progettazione e costruzione. La fig. 5 indica i tipi basilari di centrifughe e le loro proprietà specifiche.
Fig.5 Classificazione dei tipi fondamentali di centrifughe in relazione al tipo di separazione e alle loro caratteristiche operative.
La scelta della macchina giusta per un determinato compito dipende: dal tipo di separazione ,dalle dimensioni delle particelle solide, dal contenuto di materiale solido nella torbida da trattare, dalla densità relativa dei componenti e dalla potenzialità di lavorazione desiderata;
a) il tipo di separazione ( liquido/solido, liquido/liquido/solido o liquido/liquido) è determinante per scegliere il tipo base di centrifuga che può essere preso in considerazione per una particolare funzione ( tab. II);
b) nelle separazione che comprendono una fase solida, la dimensione delle particelle di solido determina i limiti entro cui è più adeguato l’impiego di una centrifuga di massa o di una centrifuga ad alta velocità; nella tab. III è riportato un diagramma semplificato che si riferisce a condizioni normali, ma in pratica la scelta è influenzata da altri fattori quali la forma, la densità e le dimensioni delle particelle di materiale solido, e la viscosità del liquido;
c) il contenuto di particelle nella torbida da trattare riduce l’ampiezza della scelta nei casi limite; la tab. IV indica il tipo di centrifuga più adatto;
d) per l’uso di una centrifuga ad alta velocità, centrifughe decantatrici e centrifughe a coltello, è necessario che la fase solida da separare abbia una densità superiore a quella della fase liquida;
e) la portata di prodotto da trattare determina la grandezza della macchina da usare. Infine, particolari proprietà fisiche o chimiche del prodotto possono richiedere speciali caratteristiche costruttive delle centrifughe. Così, ad es., può essere necessario: usare materiali resistenti alla corrosione e/o all’erosione; prendere misure per la manipolazione di materiali solidi, che tendono ad impaccarsi, fibrosi o comunque difficili da trasportare; evitare che liquidi sensibili vengano a contatto con l’aria; evitare la formazione di schiume, esalazioni nocive, incendi od esplosioni.
Questa definizione si riferisce ad un gruppo eterogeneo di macchine aventi la caratteristica comune di essere state studiate per la manipolazione di torbide o sospensioni con forti quantitativi di materiali solidi. Esse sono munite di dispositivi meccanici per l’evacuazione della fase solida separata.
Le principali operazioni effettuabili con le centrifughe per il trattamento di grandi quantità di solido sono:
a) FILTRAZIONE. recupero della fase solida dalla quale il liquido è stato asportato per mezzo della forza centrifuga;
b) SEDIMENTAZIONE. ottenimento di una fase liquida pulita e/o di una fase solida disidratata;
c) CLASSIFICAZIONE. divisione della fase solida in frazioni a seconda delle dimensioni delle particelle; le particelle più grandi di una data dimensione vengono separate, mentre le particelle più piccole passano nella fase liquida;
d) LAVAGGIO. un’operazione ausiliare facilmente associabile ad altre funzioni.
Questo tipo di centrifuga è progettato per la separazione continua liquido/solido. La caratteristica, da cui essa trae nome, è costituita da un pistone a moto alternativo che, dopo la separazione, rimuove il materiale solido dal paniere. Questa macchina trova impiego per una vasta gamma di applicazioni; è influenzata in modo limitato dalle eventuali fluttuazioni dell’alimentazione ed offre prestazioni particolarmente elevate nella disidratazione meccanica della separazione liquido/solido. E’ adatta al trattamento di materiali solidi cristallini o fibrosi.
Funzionamento. La torbida viene immessa in continuo nel cono rotante di entrata e sottoposta ad accelerazione fino a raggiungere la velocità periferica del paniere; essa passa quindi sopra la superficie del pistone e viene distribuita in modo uniforme sulla parte posteriore del paniere. La maggior parte del liquido defluisce immediatamente attraverso i fori del paniere, mentre il materiale solido viene trattenuto in forma di pannello sul setto filtrante di rivestimento interno. Questo materiale viene spostato dal movimento alternato del pistone ( fig. 6) e lo spazio liberato in tal modo viene riempito immediatamente da materiale nuovo. Durante il movimento verso il lato di scarico, il materiale viene asciugato ulteriormente e, se richiesto, può essere lavato contemporaneamente per mezzo di un dispositivo a spruzzo regolabile.
Fig.6 Principio di funzionamento di una centrifuga a spinta monostadio: in a) nella fase di colpo all’indietro; in b) nella fase di colpo in avanti
I panieri monostadio sono adatti per la maggior parte degli scopi, ma se la fase liquida è altamente viscosa o se si richiede un lavaggio a fondo può essere preferibile l’uso di tamburi a più stadi, con un profilo a gradini.
Questo tipo di centrifuga è stato ideato per un funzionamento discontinuo automatico o semiautomatico, ciò che lo rende adatto ad essere usato in serie a reattori discontinui. Con il filtro centrifugo questa macchina è in grado di raccogliere materiale solido fine, lavarlo ed asciugarlo meccanicamente, fino ad un basso contenuto di umidità. Equipaggiata con un paniere a parete piena, la macchina può recuperare dal liquido trattato il materiale solido che si trova in sospensione. La particolarità costruttiva dei dispositivi di alimentazione e scarico permette di trattare anche materiali difficili.
Fig. 7 Principio di funzionamento di una centrifuga a coltello: in a) fase di alimentazione e di separazione, e in b) fase di scarico del solido.
Filtrazione ( paniere perforato). La torbida viene introdotta nel paniere perforato. Sotto l’azione della centrifuga il liquido fuoriesce, mentre il materiale solido viene trattenuto dal tessuto filtrante ( fig. 7.a). Sempre per centrifugazione il materiale solido può quindi essere lavato ed asciugato. Un coltello a lama larga o più coltelli ad azione alternativa staccano dal paniere il materiale solido che cade in una tramoggia di raccolta e viene espulso per gravità ed a mezzo coclea di trasporto ( fig.7.b). Al termine di questa operazione la macchina è pronta per essere riempita nuovamente.
Sedimentazione ( paniere a parete piena). La sospensione viene alimentata vicino alla parte posteriore del tamburo; il materiale solido si accumula sulla superficie del paniere, mentre il liquido defluisce tracimando dal bordo sul lato aperto. Quando il materiale solido raggiunge lo spessore desiderato, il liquido restante nel paniere viene estratto con un tubo pescante e l’operazione di scarico del solido avviene come indicato nel caso della filtrazione. In entrambi i casi il paniere ruota per tutto il procedimento a velocità costante. Normalmente l’intero ciclo è automatico.
Le centrifughe pendolari sono a paniere filtrante e a funzionamento discontinuo; sono usate principalmente per disidratare i fanghi cristallini nelle industrie chimiche e farmaceutiche.
In esse la fase solida è trattata delicatamente e si raggiunge il grado ottimate di essiccazione dei cristalli. La velocità del paniere è completamente regolabile ed un efficiente lavaggio del materiale solido assicura la purezza dei cristalli. Le operazioni di scarico vengono effettuate a velocità ridotta, precedentemente stabilita.
Funzionamento. La torbida è introdotta nel paniere e sottoposta ad accelerazione attraverso un dispositivo conico. La forza centrifuga espelle, dal pannello solido formatosi, sia il liquido madre che il liquido con cui viene lavato lo strato di cristalli (fig. 8.a). I cristalli vengono scaricati, a velocità ridotta, a mano o con uno scaricatore idraulico (fig. 8.b): quindi la macchina è pronta per iniziare un nuovo ciclo di trattamento. Nel caso delle macchine completamente automatizzate, il ciclo di produzione, una volta stabilito, verrà ripetuto esattamente senza istruzioni.
Fig. 8 Funzionamento di una centrifuga pendolare: in a) fase di alimentazione e di separazione; in b) scarico del solido
La caratteristica delle centrifughe decantatrici è un tamburo conico o conico-cilindrico contenente una coclea che ruota ad una velocità leggermente diversa da quella del tamburo. La forma allungata del tamburo permette un’alta velocità e quindi una forza centrifuga elevata e un grande rendimento di chiarificazione e drenaggio.
Fig. 9 Funzionamento di una centrifuga decantatrice: si nota il tamburro conico-cilindrico a scarico libero del liquido
Funzionamento. La torbida, attraverso un apposito tubo, viene portata al centro del tamburo. Passando attraverso aperture ricavate nel mozzo della coclea, la torbida viene spinta sulla parete del rotore, dove i solidi formano uno strato esterno ed il liquido uno strato anulare interno determinato dalla posizione delle aperture di scarico (fig. 9). Le spire della coclea convogliano i solidi verso l’estremità con diametro minore, mentre il liquido viene scaricato all’altra estremità.
Queste macchine, dotate di tamburi che ruotano a velocità di 4500-7000 giri/min e che generano forze centrifughe di 11.000 g e più, dividono istantaneamente e con molta efficienza miscele liquido/liquido, oppure liquido/solido. I tre tipi principali (tab. V) si differenziano per il modo in cui la fase solida è rimossa dal tamburo.
A parte questa differenza, le caratteristiche costruttive generali sono pressappoco le stesse per tutti e tre i tipi. Il modello standard è costituito dalla parte inferiore (fusto) che contiene: un albero motore orizzontale, un ingranaggio elicoidale, l’albero del tamburo e l’olio per la lubrificazione.
Il tamburo è situato in cima all’albero, all’interno dello spazio racchiuso dalla parte superiore del fusto e dalla copertura. Quest’ultima, di solito, sostiene anche i sistemi di alimentazione e di scarico. Il tamburo è formato da un corpo e da un cappello tenuti insieme da un anello di serraggio. Nella grande maggioranza dei casi il tamburo è del tipo a dischi stratificatori nei quali avviene l’effettiva separazione. La fase costituita dal liquido leggero si sposta verso il centro e va verso lo scarico al collo del tamburo, mentre il liquido pesante e/o i solidi si spostano verso l’esterno nello spazio circostante la pila di dischi. In una separazione liquido/liquido, il liquido pesante supera il bordo di un disco speciale superiore e passa tra questo disco e il cappello del tamburo verso una seconda uscita, sistemata concentricamente alla prima; i solidi vengono raccolti nello spazio ad essi riservato alla periferia del tamburo, ove vengono trattenuti o da cui sono scaricati a seconda del tipo di macchina.
Conformazione del tamburo. Secondo la forma del distributore e della pila di dischi, un tamburo separatore può compiere una delle tre seguenti funzioni: concentrazione, purificazione e chiarificazione (fig. 10)
Fig. 10 Tre diverse funzioni compiute da un tamburro separatore e dipendenti dalla forma del distributore e della pila di dischi: chiarificazione in a); purificazione in b); concentrazione in c).
Sono studiate per l’alimentazione e lo scarico continuo di liquidi e per lo scarico continuo dei solidi separati. Funzionano per lunghi periodi senza essere fermate e smontate per la pulizia. Si adattano bene al trattamento di molti tipi di sospensioni solide.
Funzionamento. Nel tamburo verticale con forma interna a doppia conicità contrapposta sono disposti (perifericamente, sul diametro maggiore, oppure in posizione più interna, su un diametro minore) degli ugelli dai quali viene scaricato in continuo il solido sospeso in una parte del liquido (fig. 11).
Fig. 11 Sezione di un tamburro per un separatore ad ugelli periferici atti allo scarico dei solidi.
Sono studiate per l’alimentazione e lo scarico continui di una o due fasi liquide con scarico intermittente del solido. Il ciclo di scarico è azionabile manualmente o da un temporizzatore o da un dispositivo di scarico autocontrollato che entra in funzione automaticamente quando lo spazio di raccolta del solido è pieno. I solidi vengono espulsi senza bisogno di interrompere l’alimentazione. La macchina può essere lavata facendo circolare al suo interno opportuni liquidi di lavaggio. Tali caratteristiche rendono questo tipo di centrifuga il più adatto per lavorazioni completamente automatiche.
Funzionamento. Il fango si accumula nello spazio ad esso riservato alla congiunzione del fondo mobile con il cappello del tamburo. Ad intervalli regolabili la pressione idraulica viene rapidamente abbassata su impulso del temporizzatore o del dispositivo di scarico automatico autocontrollato, in modo tale che il fondo mobile del tamburo si abbassa molto rapidamente ed il fango viene espulso per forza centrifuga (fig. 12).
Fig. 12 Principio di funzionamento di una centrifuga ad espulsione dei solidi. La centrifuga è rappresentata in a) nella fase di separazione e in b) nella fase di scarico parziale (solamente del solido).
E’ il tipo originale di centrifuga ad alta velocità per la separazione di due fasi liquide, con o senza rimozione simultanea di piccole quantità di impurità solide, e per la chiarificazione di liquidi a basso contenuto di solido.
Fig. 13 Principio di funzionamento del tamburro a contenimento dei solidi: rappresentazione in a) di un tamburro a dischi conici; in b) a cilindri
Funzionamento. Il tamburo è a dischi stratificatori, ad asse verticale con parete cilindrica e cappello conico. Lo spazio tra la pila di dischi e la parete del tamburo costituisce la camera nella quale viene raccolto il solido, in quantità ovviamente limitata ( fig. 13.a). Una variante è costituita dal tamburo a cilindri, per la chiarificazione di liquidi contenenti una percentuale relativamente grande di solidi da separare; esso non contiene dischi conici ma una serie di cilindri concentrici, sui quali si depositano i solidi che si separano dal liquido (fig. 13.b).
Un’altra variante è costituita dal tamburo tubolare cavo di piccolo diametro e ruotante a velocità elevata. Le macchine dotate di questo tamburo sono chiamate supercentrifughe ( fig. 14). I solidi separati restano nel tamburo che perciò deve essere periodicamente aperto per lo svuotamento che abitualmente è manuale.
Fig. 14 Sezione di un supercentrifuga caratterizzata da un tamburro tubolare di diametro limitato rispetto alla lunghezza, operante a velocità molto elevata.
In questa categoria vengono classificate le centrifughe da laboratorio del tipo discontinuo in grado di centrifugare piccoli campioni di prodotto(sospensioni o miscele di liquidi) per determinarne i componenti.
La loro costruzione è generalmente molto semplice: su un albero verticale è sistemato un porta-provette basculante, nel quale vengono collocate le provette contenenti campioni da trattare. In certi tipi più elaborati si può variare la velocità, stabilire il tempo di centrifugazione con temporizzatori, riscaldare o raffreddare l’interno della centrifuga. Queste centrifughe sono inoltre dotate di un freno elettrico.
Pastanesi - “Calcolo per la progettazione di macchinari per l’industria chimica”.
Smith - “Unit operations”.
Maloney - “Unit operations, centrifugation”.
Gen. Elec. Rev. 22, No 5, 416 “Centrifugal machines”.
Kirk-Othmer - “Encyclopedia of chemical technology”.
Ullmann’s - “Encyclopedia of industrial chemistry”.
Gillain, Capra, Castiglia - “Enciclopedia della chimica”.
Pierucci - Lezioni del corso.
Fonte: http://www.aidic.it/impiantichimici/Tesine/Centrifugazione.doc
Sito web da visitare: http://www.aidic.it/
Autore del testo: non indicato nel documento di origine
Il testo è di proprietà dei rispettivi autori che ringraziamo per l'opportunità che ci danno di far conoscere gratuitamente i loro testi per finalità illustrative e didattiche. Se siete gli autori del testo e siete interessati a richiedere la rimozione del testo o l'inserimento di altre informazioni inviateci un e-mail dopo le opportune verifiche soddisferemo la vostra richiesta nel più breve tempo possibile.
I riassunti , gli appunti i testi contenuti nel nostro sito sono messi a disposizione gratuitamente con finalità illustrative didattiche, scientifiche, a carattere sociale, civile e culturale a tutti i possibili interessati secondo il concetto del fair use e con l' obiettivo del rispetto della direttiva europea 2001/29/CE e dell' art. 70 della legge 633/1941 sul diritto d'autore
Le informazioni di medicina e salute contenute nel sito sono di natura generale ed a scopo puramente divulgativo e per questo motivo non possono sostituire in alcun caso il consiglio di un medico (ovvero un soggetto abilitato legalmente alla professione).
"Ciò che sappiamo è una goccia, ciò che ignoriamo un oceano!" Isaac Newton. Essendo impossibile tenere a mente l'enorme quantità di informazioni, l'importante è sapere dove ritrovare l'informazione quando questa serve. U. Eco
www.riassuntini.com dove ritrovare l'informazione quando questa serve