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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

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


Agenda

Filtri

Filtri a tessuto


Separatori a umido


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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.


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Generalità


Agenda

Filtri a tessuto

Filtri


Separatori a umido


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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 filtro10/27

11


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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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


Agenda

Filtri a tessuto


Filtri

Separatori a umido


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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


Filtri a tessuto


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


Filtri a tessuto


Separatori a umido


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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)


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Modulo 0.4: Richiami di componentistica

Filtri

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