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I macchinari che permettono la purificazione dei gas dalle polveri sono i cicloni. Dal nome di tali macchinari proviene anche la denominazione del processo di separazione dei miscugli gassosi chiamato il processo di depurazione in ciclone. Lo stesso principio è sfruttato anche per la separazione dal flusso gassoso delle gocce del liquido. Successivamente sono stati ideati i macchinari destinati alla separazione delle sospensioni che sfruttano lo stesso principio di funzionamento e che sono chiamati idrocicloni.
Il funzionamento del ciclone sfrutta l'azione della forza centrifuga.
Per il principio di funzionamento i cicloni non si differenziano in modo significativo dagli idrocicloni e tutti i due vantano gli stessi punti forti. La differenza sta solo nella forma del corpo dei dispositivi.
Si possono suddividere i cicloni in quelli controcorrenti o in quelli equicorrenti. In questi ultimi il flusso gassoso esce lungo un'asse. Tali cicloni sono meno efficaci di quelli controcorrenti. In base alla forma del corpo i cicloni possono essere suddivisi in cilindrici, conici e cilindro-conici.
In base al principio di trasformazione del moto rettilineo del gas in moto vorticoso si possono classificare i dispositivi in quelli elicoidali, tangenziali e viti forme. Secondo la direzione della turbolenza i cicloni possono essere suddivisi inoltre in sinistrorsi e in quelli destrorsi.
Il processo di depurazione dei fumi nel ciclone rappresenta un complesso processo aerodinamico che sfrutta il moto vorticoso del gas depurato e di quello contaminato diretto in senso opposto. La polvere si accumula negli strati esterni del gas ed esce con gli stessi nella tramoggia di raccolta. L'efficienza di depurazione del flusso gassoso dipende direttamente dei seguenti fattori:
I cicloni sono nati per la separazione del flusso gassoso e della polvere sotto l'azione della forza centrifuga. La forza centrifuga viene generata con la formazione della turbolenza del flusso di gas nella camera creata con l'uso di diversi dispositivi meccanici o tramite l'accelerazione tangenziale dell'aria. Per effetto della forza centrifuga la polvere, contenuta nel flusso gassoso, viene proiettata verso le pareti del corpo e cade nella tramoggia di raccolta. L'angolo di entrata del flusso nella bocca di alimentazione è indicato nella denominazione della costruzione dell'apparecchiatura.
Il disegno, che segue, illustra lo schema di funzionamento del ciclone. Il macchinario è costituito dal corpo cilindrico con il fondo conico. Il gas da trattare viene iniettato nel corpo attraverso la bocca d'ingresso tangenziale. Al momento dell'entrata la velocità del flusso gassoso è pari a 20-30 m/sec. Grazie all'inserimento tangenziale, il gas assume il moto vorticoso e scorre intorno al tubo installato lungo l'asse del corpo che serve a scaricare il gas depurato.
Dunque, all'interno del ciclone vengono generati due flussi che assumono il moto a spirale. Il gas da trattare forma il flusso esterno direzionato verso il basso che scorre lungo le pareti del corpo. Per effetto della forza centrifuga, le particelle contenute nel gas depositano sulle pareti del ciclone. Il gas depurato genera il flusso interno che sale verso l'alto ed esce fuori. Le particelle solide concentrate vicino alle pareti del corpo cadono nella tramoggia di raccolta di polveri.
I cicloni presentano molteplici vantaggi: una soluzione costruttiva semplice e compatta, assenza degli organi in movimento, possibilità di trattare i prodotti chimici aggressivi. L'efficienza di abbattimento delle polveri nei cicloni è più alta rispetto alla depurazione in apparecchiatura con sedimentazione per gravità.
I cicloni non sono adatti alla depurazione dei gas contenenti le particelle di granulometria inferiore a 10 micron o quelle che si distinguono per un'alta capacità abrasiva.
Per elevate quantità di gas da trattare si usano gli impianti composti dal corpo all'interno del quale sono alloggiati più elementi ciclonici di diametro ridotto che sostituiscono uno di raggio grande. Tali impianti sono chiamati i cicloni a batteria o prendono il nome di multicicloni.
Per ottimizzare la purificazione dei gas e lo scarico delle polveri sono largamente utilizzati i multicicloni. Tali macchinari sono formati da più elementi posti in parallelo nell'unico involucro dotato della tramoggia di raccolta, della bocca d'ingresso e di quella di uscita del gas.
Nei multicicloni il gas assume il moto spirale imposto dall'elemento rotante realizzato in forma di vite o di rosa e non dall'inserimento tangenziale del flusso gassoso. Grazie a tale costruzione il rendimento del multiciclone è notevolmente più alto rispetto a quello del ciclone semplice di stesse dimensioni.
In figura che segue, sono illustrate le più diffuse tipologie di ciclone:
L'elemento a vite si caratterizza da una bassa perdita di carico e praticamente non intasabile.
La sedimentazione della polvere in singoli elementi del multiciclone avviene in modo tutto simile a quello realizzato in un singolo ciclone. Molto frequentemente sono utilizzati gli elementi ciclonici con diametro pari a 100, 150 e 250 mm. In tali macchinari la velocità del gas polveroso può raggiungere 4 m/s. L'efficienza di sedimentazione della polvere in tali apparecchi è molto elevata. Gli stessi si caratterizzano da una soluzione costruttiva compatta e da una bassa perdita di carico, il che significa che a confronto con i cicloni singoli o quelli uniti a gruppo, il rendimento dei multicicloni di stesse dimensioni è più alto.
Costruzione e il principio di funzionamento del multiciclone (ciclone a batteria).
Il gas contaminato viene immesso nella camera di distribuzione limitata dalla piastra tubiera con ivi attaccate ermeticamente le unità ciclone. Dopo la purificazione il gas esce dai tubi di scarico di ogni singolo elemento nella camera comune. Le particelle di polvere separata si accumulano sul fondo conico del ciclone. Gli elementi del multiciclone hanno il diametro ridotto. Il gas viene alimentato dall'alto e non tangenzialmente. Il moto a spirale viene imposto al flusso gassoso da una apposita vite o girante dotata di palette inclinate.
L'efficienza di funzionamento del multiciclone è garantita dall'identicità degli elementi e identiche condizioni di esercizio.
All'interno del corpo del multiciclone sono alloggiati gli elementi ciclone ermeticamente installati in piastre tubiere. Il gas da trattare, iniettato dalla bocca d'ingresso nella camera, viene distribuito tra gli elementi e riempisce lo spazio anulare tra il corpo dell'elemento e il tubo di scarico del gas depurato. Nello spazio anulare sono installate le palette che impongono al flusso gassoso il moto elicoidale. Le particelle di polvere vengono proiettate verso le pareti dell'elemento, dirette giù nel moto elicoidale e cadono nella tramoggia comune per tutti gli elementi. Il gas ripulito risale in una stretta spirale verso l’alto di ciascun elemento nella camera comune e fuoriesce dallo scarico posto sulla parte superiore.
Il diametro di un singolo ciclone è pari generalmente a 40-1000 mm, mentre quello dell'elemento del multiciclone è di 40-250 mm.
I multicicloni accoppiano più unità ciclone di diametro ridotto poste in parallelo. Tali macchinari ottengono le efficienze di separazione maggiori in quanto con il minore raggio del ciclone si ha un significativo aumento della forza centrifuga.
I multicicloni sono in grado di trattare i flussi di qualsiasi portata in quanto a bisogno si può sempre collegare o scollegare gli elementi della batteria.
Il tubo dell'unità ciclone è dotato delle pale elicoidali che impongono al flusso gassoso il moto a spirale. Il gas è convogliato dall'alto all'interno del corpo, scorre sulla superficie della vite nello spazio anulare (tra la parete interna del cilindro e la parete esterna del tubo di scarico). Le particelle solide depositano sulle pareti del corpo, dopodiché cadono sul fondo conico per essere raccolte nella tramoggia dell'impianto.
Gli elementi del multiciclone sono disposti verticalmente in file parallele alloggiate nel corpo a sezione rettangolare. La camera è dotata di due piastre tubiere in cui aperture sono installati gli elementi. Il gas da trattare, iniettato dalla bocca nello spazio tra il grigliato, viene distribuito tra gli elementi. Dopo la purificazione il gas sale nello spazio sopra il grigliato superiore e fuoriesce attraverso la bocca di uscita laterale. Le particelle solide cadono sul fondo conico. Gli elementi della costruzione dell'impianto sono realizzati in ghisa, mentre il grigliato è in lamiera di acciaio. Tali impianti sono in grado di trattare i gas in un largo intervallo di temperature.
L'efficienza di depurazione dei miscugli gassosi nei cicloni può arrivare fino al 96-99% per le particelle con le dimensioni pari a 20 µm, al 70-95% per granulometria fino a 10µm e al 30-85% per polveri con granulometria dell'ordine di 5µm. Nel caso della depolverazione dei gas nei multicicloni l'efficienza di separazione non dipende così significativamente dalle dimensioni di particelle solide. Per i gas contenenti le particelle con il diametro pari a 5, 10 e 20 µm l'efficienza di abbattimento delle polveri può raggiungere rispettivamente il 65—85, l'85-90 e il 90-95%. Più alta è la resistenza idraulica nel ciclone, migliore è l’efficienza di purificazione.
Il corpo che ruota attorno al proprio asse è soggetto all'azione della forza centripeta diretta nel senso di rotazione. In conformità al terzo principio di dinamica per ogni forza centripeta ne esiste istantaneamente un'altra uguale in modulo, ma opposta in direzione che è la forza centrifuga. La forza centrifuga rappresenta dunque la forza di inerzia che si genera con la variazione del moto del corpo. La forza centrifuga può essere calcolata con la seguente formula:
C = (m·ω²)/r, kgs
Dove
m = massa,
w = velocità di rotazione del corpo espressa in m/s;
r = raggio di rotazione in metri.
Il rapporto tra l'accelerazione centrifuga e quella di gravità corrisponde numericamente al rapporto tra il modulo della forza centrifuga e la forza di peso di tale corpo e risulta il principale parametro che caratterizza l'apparecchiatura centrifuga. Tale rapporto è chiamato fattore di separazione ed è un valore adimensionale:
Kp = ω²/(r·g)
Sottoposte alla forza centrifuga, le particelle depositano secondo gli stessi principi della forza di gravità. La differenza sta nella velocità di sedimentazione delle particelle che sotto l'azione della forza centrifuga diventa più alta rispetto a quella di sedimentazione nelle camere di calma. L'accelerazione della velocità di sedimentazione viene definita con il valore numerico del fattore di separazione Kp.
Per il calcolo della forza centrifuga Fz che provoca la sedimentazione delle particelle si usa la seguente formula:
Fz = 4·Π²·ρ·V·r·n²
Dove
V = volume,
r = diametro del vertice primario,
n = velocità di rotazione del vertice,
p = densità.
La forza centrifuga esercita la sua azione sulle particelle del gas e quelle di polvere. Dato che la densità delle particelle di polvere è più alta rispetto a quella del gas, l'azione della forza centrifuga esercitata sulle particelle di polvere è maggiore, il che fa spingere le particelle di polvere verso l'esterno.
I cicloni sono generalmente impiegati per la separazione delle particelle di polvere di grandi dimensioni dalle elevate portate di gas. La polvere di granulometrie fini non si deposita quasi in tale apparecchiatura. Per l'esercizio del ciclone non serve che l'energia del flusso gassoso.
Il più importante parametro che caratterizza il funzionamento del ciclone è l’efficienza di purificazione del gas calcolata secondo la seguente formula:
φ = Gот/Gст,
dove
Gос – percentuale in massa delle particelle depositate,
Gст – percentuale in massa delle particelle in flusso gassoso di partenza.
Il tempo necessario per la sedimentazione delle particelle di granulometria prestabilita dipende dal regime di moto delle stesse. Il volume del ciclone necessario per il funzionamento viene dimensionato in funzione del rendimento e il tempo t. Se il flusso gassoso contiene i solidi di varia granulometria, il calcolo viene fatto sulla base del diametro più piccolo delle particelle da separare. L'efficienza di depurazione del gas viene calcolata sulla base della curva di distribuzione delle particelle secondo la granulometria.
Velocità di sedimentazione nell'apparecchiatura centrifuga
Il processo di separazione della polvere sia nelle apparecchiature centrifughe sia in camere di sedimentazione prevede tre stadi di sedimentazione che sono caratterizzati dal numero di Reynolds e dal numero di Archimede. In tutte le condizioni di sedimentazione la forza centrifuga che agisce sulla particella solida sarà Kp volte maggiore della forza di gravità.
Dimensioni, efficienza e costruzione dei cicloni.
Le dimensioni del ciclone per una prestabilita granulometria della polvere sono determinate dalla velocità circolare del gas nel ciclone e nel tubo di scarico. La velocità del gas sarà assunta nei seguenti intervalli:
Il tempo di permanenza del gas nel ciclone sarà calcolato come segue:
τ = l/ω = (2Π·r2·ψ)/ω, s
Il tempo necessario per la sedimentazione sarà calcolato secondo la seguente equazione:
τ = (r2 - r1)/ω0, s
Dove: ω = velocità media circolare del gas nel ciclone (m/s);
ωt = velocità del gas nel tubo di scarico (m/s);
ω0 = velocità di sedimentazione;
r1 = raggio esterno del tubo di scarico (m);
r2 = raggio della parte cilindrica del ciclone (m);
φ = numero di spire che costituiscono la traiettoria delle particelle del gas attorno al tubo di scarico nel ciclone;
τ = tempo di permanenza del gas nel ciclone (sec).
Una media efficienza dei cicloni moderni entra nell'intervallo dal 75 al 90%, ma può deviarsi da queste cifre in funzione delle caratteristiche della polvere. L'uso dei cicloni è limitato dalla granulometria delle particelle solide sospese nel flusso gassoso(dmin≥1 μ).
Il valore della resistenza dei cicloni può variarsi da 40 a 85 mm di colonna d'acqua, il che provoca un elevato consumo dell'energia.
Per migliorare l'efficienza di separazione della polvere dal gas è opportuno ridurre la larghezza e il diametro della bocca d'ingresso. In alcuni cicloni si procedono inoltre con l'aumento della profondità d'installazione del tubo di scarico e con realizzazione di una certa conicità dello stesso. Dall'altro conto tali modifiche provocano l'aumento delle perdite di carico del ciclone.
Per ottimizzare il rendimento del ciclone si procede inoltre con la riduzione dell'angolo del cono il che comporta l'aumento del numero di giri del flusso gassoso, ma, dall'altro conto, costringe ad aumentare l'altezza dell'apparecchiatura.
Per fare una giusta scelta del ciclone si ricorrono al calcolo basato sulla viscosità dinamica dei gas alla temperatura μ, la portata volumetrica del gas contaminato Q, la densità del gas, la richiesta efficienza di depurazione ɳ, la concentrazione della polvere contenuta nel gas e la densità delle particelle di polvere.
Prima di tutto si deve determinare il tipo di ciclone e per farlo si deve definire le dimensioni delle particelle da captare e la velocità del gas nell'apparecchiatura vг (che varia da 2 a 5 m/s).
La sezione del ciclone viene calcolata secondo la seguente formula:
F = Q/νг
Se si prevede per la purificazione del gas l'uso di un gruppo o di una batteria di cicloni N, il diametro del ciclone viene determinato secondo l'equazione:
D = √
Si deve arrotondare il valore del diametro e calcolare la velocità effettiva del gas nel ciclone:
νг = Q / (0,785·N·D²)
Il fattore di depurazione del gas è influenzato dal fattore di separazione Kр. Maggiore è il fattore di separazione, migliore è il grado di purificazione. Si può aumentare il fattore Kр, riducendo il raggio di rotazione del flusso gassoso o aumentando la sua velocità, ma con la riduzione del raggio del corpo il rendimento dell'impianto cala e l'aumento della velocità del flusso gassoso provoca un notevole aumento della resistenza idraulica e della turbolenza dello stesso che compromette il processo di sedimentazione della fase solida e il mescolamento del gas depurato con quello di partenza.
Nel calcolo dei multicicloni vengono usate le stesse formule che sono utilizzate per il gruppo di cicloni singoli. Per una giusta scelta del diametro del ciclone sono usati tali parametri quali caratteristiche della polvere e la concentrazione della polvere nel flusso gassoso di partenza. Si deve inoltre determinare il numero di elementi nel multiciclone e per farlo la portata generale del gas da trattare viene divisa per il fattore di efficienza di un singolo elemento ciclone.
Molti processi tecnologici si caratterizzano dalla formazione dei miscugli gassosi. Si tratta dell'essiccazione dei materiali solidi con l'uso dei gas riscaldati, la cottura, la frantumazione, la vagliatura dei materiali solidi ecc.
Nel processo di depurazione dei miscugli gassosi le particelle solide vengono separate dal gas mediante l'uso dei speciali meccanismi. Tale processo viene largamente applicato per la depurazione e la decontaminazione dell'aria nei locali produttivi e serve per la tutela dell'ambiente. Alcuni flussi gassosi vengono sottoposti alla separazione per la captazione dei prodotti di valore ivi contenuti.
I cicloni utilizzati nel settore industriale si distinguono per la diversità di soluzioni costruttive.
Con l'aumento dell'accelerazione centrifuga w2r si ha l'aumento di w0 e la riduzione del t. A costante velocità del flusso gassoso all'ingresso nel ciclone l'efficienza dello stesso si aumenta con la riduzione del diametro del suo corpo (con l'aumento del w0, i valori da e t si abbassano). Per tale motivo sono largamente utilizzati i multicicloni che sono costituiti dal gruppo di cicloni di diametro ridotto. I cicloni sono installati in parallelo nell'unico corpo.
È da notare che per garantire il libero scarico i cicloni possono trattare i flussi gassosi a concentrazione di polvere limitata. Ad alta concentrazione di particelle solide le bocche di uscita possono essere intasate provocando il guasto del depolveratore del gas.
Le centrifughe e gli idrocicloni sfruttano entrambi il principio di forza centrifuga per la separazione delle sospensioni e delle emulsioni in singoli componenti. Nelle centrifughe la forza centrifuga viene generata con la rotazione del corpo. Nell'idrociclone il corpo è fisso, mentre il suo contenuto assume il moto rotatorio. La soluzione costruttiva dell'idrociclone è più semplice rispetto a quella di centrifuga, in quanto non prevede alcuni elementi mobili, ma la qualità di separazione della sospensione in fase leggera (filtrato) e in quella solida (residuo) è inferiore.
Il principio di funzionamento dell'idrociclone è basato sull'alta velocità della sospensione iniettata tangenzialmente nell'apparecchio. In seguito al moto elicoidale assunto dalla sospensione, viene generata la forza centrifuga e avviene la separazione della sospensione in fase leggera e in quella pesante che vengono scaricate dall'apparecchio separatamente. L'efficienza del funzionamento dell'impianto è valutata in base al valore del fattore di separazione. L'utilizzo dell'idrociclone è inconveniente nel caso dell'alta viscosità della sospensione da trattare, in quanto in questo caso si ha una veloce ostruzione delle bocche di uscita.
Per la depurazione delle acque di scarico sono frequentemente utilizzati i cicloni idraulici da pavimento (singoli, a batteria, multicicloni).
Il ciclone idraulico da pavimento è costituito principalmente dalla parte conica e quella cilindrica. Le acque da trattare entrano nell'idrociclone attraverso la bocca d'ingresso tangenziale. La bocca di uscita è collocata sull'estremità della parte conica. Il residuo separato dalle acque viene espulso attraverso questa bocca di uscita. Un'altra bocca di scarico serve per l'uscita delle acque chiarificate e si trova sull'asse del ciclone nella sua parte superiore. Le acque da trattare entrano nella parte cilindrica del ciclone idraulico attraverso una nocca di ingresso tangenziale, assumono il moto elicoidale e vanno nella parte conica. Al livello di 0,7D (dove D= diametro della parte cilindrica) il flusso inverte la sua direzione, si dirige verso l'asse centrale e comincia a salire verso la bocca di scarico ed esce dall'apparecchio.
Per effetto della forza centrifuga la separazione delle impurezze avviene anche negli impianti di dimensioni ridotte.
Oltre a questo sono largamente utilizzati i cicloni idraulici con la raccolta periferica delle acque chiarificate.
Nel primo dei sopracitati cicloni idraulici l'acqua entra tangenzialmente attraverso le aperture comuni per tutte le file e sistemate ogni 120°. L'acqua viene distribuita alla parte superiore nelle anticamere dotate delle pale di distribuzione. Il flusso assume il moto a spirale convergente al livello della fila dopodiché passa nella parte centrale. Il residuo, che scivola attraverso lo sbocco nella parte conica dell'apparecchio, viene portato via sotto l'azione della pressione idrostatica. I cicloni idraulici possono essere dotati inoltre del sistema di rimozione delle impurità che vengono a galla. La velocità del flusso ascendente nell'anticamera sarà assunta pari a 0,5 m/s.
I multicicloni idraulici sono largamente applicati nel processo di depurazione fine. Il corpo di tali multicicloni è diviso in singole file separate dai diaframmi conici che garantiscono che lo strato di residuo non sia molto alto. Il moto rotatorio consente di utilizzare il volume della fila in modo più intenso e favorisce l'agglomerazione delle particelle sospese. Ogni fila funziona in modo autonomo. Ai fini pratici sono largamente utilizzati i cicloni idraulici dotati di bocche inclinate usate per lo scarico dell'acqua depurata.
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