Separazione solido liquido

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Separazione solido liquido

La sedimentazione

Lo studio dei solidi immersi in liquidi fermi è alla base di un metodo molto comune 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.

Il moto di una particella immersa in un liquido

Nell’istante iniziale, a particella ferma, agiscono su di essa la forza peso e la forza di Archimede. Quando il peso specifico della particella e del liquido sono uguali la forza peso è uguale alla forza di Archimede. La particella comincia a scendere, se γs (p.s. del solido) > γ1, e a salire se γs < γ1. Studiando il caso γs < γ1 notiamo che la particella assumerà una certa accelerazione verso il basso in cui si contrapporrà una forza di attrito 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; in queste condizioni l’accelerazione sarà zero e la velocità costante. E’ chiamata velocità di sedimentazione proprio la velocità raggiunta nelle condizioni di regime. La forza di attrito ha la seguente formula:

I meccanismi di sedimentazione

La velocità di sedimentazione aumenta con l’aumentare della densità 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 ed, a loro volta, influenzate. Possiamo distinguere due meccanismi di sedimentazione:

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.
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. 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
Una fase torbida alla stessa concentrazione iniziale
Una fase maggiormente concentrata sul fondo del cilindro

Nel tempo l’altezza dell’interfase tra la fase limpida e quella torbida si andrà spostando versi il basso, mentre il livello della fase più concentrata si sposterà verso l’alto. Riportando in un asse cartesiano il tempo e l’altezza dell’interfase, si otterrà una curva che per il primo tratto avrà andamento rettilineo, per poi appiattirsi.

I solidi di natura fioccosa sedimentano generalmente con meccanismo di massa, mentre quelli di natura granulare, con meccanismo indipendente.

I 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 solidi sedimentabili. I sedimentatori trovano largo impiego perché, essendo basati sul principio della eliminazione per gravità, non consumano niente. Il campo di maggiore applicazione è il trattamento delle acque grezze o delle acque di scarico.

Sedimentatore Dorr

È un sedimentatore di forma circolare. La torbida viene immessa al centro dell’apparecchiatura in un cassone di forma cilindrica di sezione piccola; in questo modo 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. In questo modo 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 dalla 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 raccolti sul fondo formano uno strato di fanghi che deve essere smaltito. De 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. 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.

Sedimentatore longitudinale

L’ingresso del liquido 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. 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.

Ispessitore

L’ispessitore si usa per trattare i fanghi estratti dal fondo, per aumentare la loro concentrazione. È un decantatore alimentato dalle correnti fangose estratte dai sedimentatori, che permangono nell’apparecchiatura per periodi di settimane. Un sistema a pale in lenta rotazione viene periodicamente attivato per facilitare la separazione tra l’acqua e gli aggregati fangosi.

La filtrazione

Per l’eliminazione dei solidi si usano i filtri, questi funzionano facendo passare la corrente liquida attraverso un mezzo filtrante che trattiene i solidi. Il mezzo filtrante può essere costituito da un letto di sabbia, da tela o da altri materiali porosi. Durante la filtrazione si andrà accumulando uno strato di solidi trattenuti, chiamato pannello o torta.

Aspetti teorici

Il moto di un liquido attraverso mezzo filtrante, sia esso un solido granulare che un 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 è

Flusso di liquido

ΔP indica la differenza di pressione tra monte e valle del filtro e R indica la resistenza. La differenza di pressione può essere sostituita da una differenza di energia potenziale. La resistenza R è data da due contributi: quello del mezzo filtrante (costante nel tempo) e quello dovuto allo strato di materiale solido che si va depositando.

Il contributo del mezzo filtrante dipende dal grado di vuoto dello stesso mezzo, all’aumentare del quale aumenta lo spazio lasciato libero per il passaggio del liquido. Minori sono le dimensioni del mezzo filtrante minore sarà il grado di vuoto lasciato. La resistenza opposta al solido trattenuto dipende dal suo spessore e dalla sua natura. Il pannello che si accumula sui mezzi filtranti può essere incomprimibile, generalmente particelle granulari, o comprimibile, generalmente particelle fioccosa (Me(OH)3); i due tipi imprimono resistenze diverse a seconda dello spessore. La portata che può essere trattata dipende dalla differenza di pressione e dalla resistenza del mezzo; poiché la resistenza aumenta durante il funzionamento si dovrà. Per avere una portata costante, aumentare gradualmente la pressione durante il ciclo. Operando a pressione costante la portata diminuirà via via che il filtro si va intasando.

Filtri a sabbia

I filtri a sabbia sono filtri discontinui che utilizzano come mezzo filtrante un letto di sabbia disposta in un contenitore costituito da una vasca in cemento, nel caso dei filtri a gravità, o da un serbatoio metallico, nel caso dei filtri a pressione.Con questo metodo anche particelle molto inferiori alla sabbia vengono trattenute dal filtro causa di vari fenomeni (attrazione elettromagnetica, forza di Van der Waals, mutuo assorbimento, ecc.). Ne esistono di due tipi, con funzionamento analogo:

Filtro a gravità: sono costituiti da una semplice vasca in cemento a cielo aperto, riempita di sabbia filtrante per un’altezza di poco superiore ad un metro. L’acqua da trattare viene immessa sulla superficie del filtro ed attraversa lo strato di sabbia che trattiene le particelle solide contenute nell’acqua. La dimensione media della sabbia deve essere in grado di estendere la sua capacità filtrante in tutta l’altezza del filtro. L’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, effettuata con una controcorrente di acqua e aria compressa che risale dal fondo del filtro verso la superficie. L’aria rimescola la sabbia con 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, di maggiore velocità di sedimentazione, andranno sul fondo seguite da quelle di dimensioni sempre più ridotte. 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 il trattamento di sedimentazione, senza il quale il letto di sabbia si intaserebbe. Le due apparecchiature sedimentatore e filtro, costituiscono 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.
Filtro a pressione: 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.

Filtri pressa e nastro presse

Sono apparecchiature usate per la disidratazione dei fanghi; cioè la separazione di una ulteriore quantità d’acqua con il risultato di rendere i fanghi apparentemente secchi. Nelle filtro-presse la separazione avviene grazie ad una tela filtrante disposta su una serie di telai. I telai hanno dei fori posti in maniera tale che, accostandoli gli uni agli altri, si forma un condotto attraverso cui viene introdotta l’alimentazione, tramite una pompa adatta.

La nastro pressa è un’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 il liquido ad attraversare la tela filtrante. Alla fine del processo il solido cade aiutato da una speciale lama; successivamente raccolto e smaltito.

Filtro Oliver

È un filtro continuo che lavora sotto vuoto. Il filtro è costituito da un tamburo rotante 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 o in pressione in base alla posizione in cui si vengono a trovare durante la rotazione. Il sistema di distribuzione è costituito da due dischi:

Il disco D1, sul tamburo, dove arrivano i condotti di collegamento dei vari scomparti.
Il disco D2, fisso, suddiviso in 3 settori, due (M e N) in depressione ed uno (P) in pressione.

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 M del disco D2: gli scomparti si vengono così a trovare in depressione, per cui la torbida aderisce sulla tela che viene attraversata dall’acqua; successivamente il pannello formatosi sul tamburo viene sottoposto a lavaggio. L’acqua di lavaggio viene aspirata 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.

la centrifugazione

Se poniamo il sistema in rotazione alle forze presenti si aggiungerà un’altra: la forza centrifuga.

In un campo di forze centrifughe il sistema non si dispone in orizzontale, ma in direzione ortogonale alla forza centrifuga, generalmente di gran lunga superiore alla forza peso (anche 10000 volte). Ciò determina tempi di separazione dei solidi molto inferiori a quelli della sedimentazione e della filtrazione.

Tra le centrifughe usate in alternativa ai sedimentatori si usano le centrifughe a tazza; ne esistono di tre tipi:

A tazza piena: è costituita da una tazza tronco conica in rotazione; all’interno ruota, quasi alla stessa velocità angolare una coclea. L’alimentazione avviene circa a meta della tazza e, per effetto della forza centrifuga, viene spinta verso la parete dove il liquido procede verso un’estremità ed i solidi vengono spinti dalla coclea verso l’estremità opposta.
A tazza tubolare: appartiene alle supercentrifughe, cioè quelle centrifughe che in virtù di una elevatissima velocità di rotazione, 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.
A tazza con dischi: chiamata anche 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 superiori, muovendosi verso l’esterno, e i liquidi, invece, si spostano verso l’interno.

Le centrifughe usate in alternativa alla filtrazione possono essere continue o discontinue, e sono dotate di paniere forato attraverso il quale fluisce il liquido.

Fonte: http://members.xoom.virgilio.it/alberto_chim/separazione%20solido-liquido.doc

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