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I separatori industriali di polveri sono divisi in due gruppi in base al metodo di deposizione delle particelle solide:
I separatori di polveri a secco sono divisi in tipologie a seconda della forza necessaria, sotto la cui influenza si verifica la sedimentazione delle particelle:
I separatori di polveri, che utilizzano un metodo di pulizia bagnato, sono suddivisi nelle seguenti tipologie:
La classificazione dei separatori di polveri è riportata nella tabella
| Unità per la separazione delle polveri | Meccaniche | A secco | Gravitazionali | |
| Inerziali | ||||
| centrifughe | ||||
| Filtranti (filtri) | Fibrose | |||
| A secco verticali | ||||
| Con tessuto | ||||
| Granulose | ||||
| Con metodo bagnato | A goccia | |||
| A pellicola | ||||
| Di gorgogliamento | ||||
| Elettriche | Monozona | A secco orizzontali | ||
| A secco verticali | ||||
| Con metodo bagnato | ||||
| A zona doppia | ||||
Il separatore di polveri centrifugo è il tipo più comune tra i separatori meccanici, che viene utilizzato nell'industria alimentare, chimica, mineraria e in molti altri settori. Il vantaggio principale di questi separatori è il loro basso costo, le alte prestazioni, la semplicità del meccanismo e anche l’utilizzo abbastanza semplice e non costoso. Se confrontiamo i separatori di polveri centrifughi con altre tipologie, essi posseggono dei vantaggi come un funzionamento ad alta temperatura e pressione, la mancanza di parti che si muovono, la facilità di riparazione e di fabbricazione, nonché la possibilità di essere utilizzati per la separazione di particelle abrasive.
I separatori di polveri centrifughi usano la forza centrifuga per separare le polveri. I più popolari tra i separatori centrifughi sono cicloni a pellicola bagnata. In tali dispositivi la deposizione delle particelle avviene grazie all'azione di un meccanismo centrifugo e inerte. Di conseguenza, l'efficienza di tali apparati è molto più alta rispetto ai cicloni, perché grazie alla presenza della pellicola bagnata non avviene un trascinamento secondario delle polveri. Inoltre, questi apparecchi sono più efficienti degli scrubber per il fatto che la velocità delle gocce e il flusso del gas in essi è di molto superiore grazie alla forza centrifuga.
Nei cicloni a metodo bagnato il liquido viene fornito lungo le pareti interne della macchina e nella sua zona parassiale.
Il separatore di polveri a metodo bagnato più efficiente è lo scrubber Venturi, che rientra nei macchinari veloci. Tali impianti possono essere suddivisi in base al settore di utilizzo in:
Il lavoro di questi dispositivi si basa sul flusso di gas ad alta velocità, che svolge un’intensa frantumazione del liquido che lo bagna. Grazie alla turbolenza del flusso di gas, e anche alla differenza abbastanza grande tra la velocità delle gocce del liquido e delle particelle, avviene la deposizione delle particelle delle polveri sulle gocce di liquido che lo bagna.
Per ridurre la resistenza idraulica, la parte principale dello scrubber viene fatta a forma di tubo Venturi, che dolcemente si restringe all'ingresso dei gas e si espande alla loro uscita. L’entrata e l'uscita dei gas sono collegate tramite un ugello.
Per un funzionamento stabile del dispositivo è molto importante che l’irrigazione della sezione dell’apertura del liquido sia totale ed uniforme. Proprio per questo motivo, la scelta del metodo di irrigazione è molto importante e influisce sulla progettazione della macchina. Più spesso vengono utilizzati tre modi irrigazione dell’apertura:
Per il calcolo della resistenza idraulica viene usata l'espressione:
Δp = Δpi + Δpж
In cui Δpi è la resistenza idraulica del tubo a secco, che è causata dal movimento del gas:
Δpi = (ξr•νg²•ρg)/2
Dove ξr è il coefficiente di resistenza idraulica del tubo a secco e νg è la velocità dei gas, che si trovano nell’apertura.
L'efficienza di abbattimento della polvere dipende soprattutto dal tipo di irrigazione specifica e dalla velocità dei gas. Il rapporto ottimale tra la velocità del flusso delle polveri e l'irrigazione specifica dipende principalmente dalla composizione dispersa della polvere. Con questo il valore specifico di irrigazione si trova nel raggio che va dai 0,5-1,5 l/m3 di gas. Oltre a questo, l'efficienza di separazione delle polveri dipende dalla dispersione delle gocce di liquido nebulizzato. In questo caso, tanto più le gocce sono meno, tanto meglio viene depurato il gas.
I separatori di polveri centrifughi (cicloni) hanno ottenuto un intenso utilizzo nell'industria. Il gas non depurato entra nel corpo del ciclone ad una velocità che va dai 20 ai 25 m/sec. Il flusso di gas si muove per la tangente, ottenendo così un movimento rotatorio. Le particelle di polvere si rovesciano a causa della forza centrifuga e cadono negli ultimi strati del gas non depurato, che si muovono per la spirale lungo le pareti del ciclone. Le particelle di polvere sospese vengono fatte uscire dall'impianto attraverso uno speciale tubo di scarico. La miscela di gas e polvere ruota e va verso l’alto, cosa che porta alla formazione di un vortice. Il dato vortice si muove lungo la direzione dell'asse dell’impianto verso il tubo di scarico e porta con sé una parte del gas, dagli strati interni che si spostano verso il basso. Questo strato di gas è caratterizzato da un basso contenuto di particelle di polvere. Si muove lungo la parte conica del corpo del separatore fino al bordo inferiore del tubo di scarico. Quando il flusso raggiunge il bordo inferiore del tubo di scarico, si gira verso l'asse del ciclone.
Nell'industria vengono sempre più spesso utilizzati i separatori di polveri a turbolenza. Tale dispositivo ricorda un ciclone, ma la sua particolarità è la presenza in esso di un ulteriore flusso di gas torcente. Nel mondo vengono prodotti diversi modelli di questo tipo di separatori, che hanno prestazioni di 300-40000 m3/ora. Le prestazioni dei separatori di polveri a turbolenza aumentano con la diminuzione del diametro.
Nei separatori di polveri a turbolenza l’aria atmosferica, i gas con le polveri e anche la parte periferica del flusso di gas pulito vengono utilizzati come gas secondari.
Se confrontiamo i separatori di polveri a turbolenza con i cicloni in controcorrente, i primi hanno vantaggi come poter lavorare con gas ad alta temperatura, un buon grado di purificazione, la regolazione del processo di purificazione del gas dalla polvere tramite la regolazione del flusso dell'aria secondaria. Tra gli svantaggi dei separatori di polveri a turbolenza è necessario evidenziare un’alta resistenza idraulica, la necessità di un potente dispositivo centrifugo e inoltre un utilizzo e un'installazione difficili.
Nel disegno si può vedere la struttura del separatore di polveri a turbolenza. In questo apparecchio il flusso di gas non depurato entra nella macchina attraverso dei bocchettoni, si attorciglia e poi entra nella zona di lavoro del separatore di polveri a turbolenza. Sotto l'influenza della forza centrifuga, le particelle di polvere dal gas vanno verso le pareti dell'apparecchio. Sotto l'influenza della gravità, invece, si dirigono verso il basso. Dopo di che entrano in una tramoggia speciale. Con ciò l'aria depurata esce attraverso il tubo di scarico. L'efficienza di lavoro di tale separatore di polveri dipende dal rapporto tra la quantità del flusso di gas superiore Q2 e quella inferiore Q1. Perché il separatore di polveri a turbolenza funzioni alla sua massima efficienza, Q2/ Q1 deve essere compreso tra 1,5 a 2,2.
Per calcolare questo tipo di separatore di polveri è necessario:
1. Determinare il diametro dell'area di lavoro. Per questi calcoli viene presa una velocità del flusso polveroso νg = 5-10 (m/s):
D1 = √4•G/Π•νg
1. Determinare le misure del separatore dipendentemente dal suo diametro.
2. Calcolare la resistenza idraulica del separatore di polveri a turbolenza con la seguente formula:
Δr = (ξ•ρ•νg²)/2
in cui ξ è il coefficiente di resistenza idraulica. Con ciò, si devono calcolare i coefficienti di resistenza del flusso superiore e di quello inferiore.
La particolarità dei separatori di polveri dinamici è che in tali dispositivi la depurazione dei gas dalle polveri avviene non solo con l'aiuto della forza centrifuga, ma anche grazie alla forza di Coriolis, che si crea nel processo di rotazione della girante centrifuga. In tali separatori di polveri, oltre alla sedimentazione delle particelle, viene anche svolta la funzione del dispositivo di trazione centrifuga.
Questo tipo di separatore di polveri utilizza una quantità maggiore di energia elettrica rispetto ad un ventilatore in presenza della stessa pressione e dello stesso rendimento. Tuttavia, il consumo di energia è comunque inferiore del fabbisogno necessario con un funzionamento separato di un separatore centrifugo e di un ventilatore.
La struttura dei separatori di polveri dinamici più semplici è costituita da un corpo e una girante. Con ciò la girante mette in movimento il gas non depurato. Sotto l'influenza della forza di Coriolis e della forza centrifuga, invece, dal gas vengono rilasciate le particelle di polvere.
I separatori di polveri dinamici sono divisi in due gruppi. Gli apparecchi del primo gruppo funzionano in modo che il flusso del gas con le polveri venga fornito nella parte centrale della girante, mentre le particelle di polvere, che si separano nel processo di depurazione, si muovono nella direzione del flusso di fornitura del gas. Nei separatori di polveri del secondo gruppo le particelle di polvere si muovono nella direzione opposta al movimento del gas. Con questo il gas non depurato viene assorbito nei fori dei tamburi, che si trovano sulla sua superficie laterale.
I separatori di polveri dinamici più popolari sono i separatori di polveri con aspiratore di fumo (vedi Fig.). Tali dispositivi sono utilizzati per la purificazione iniziale dei gas nelle fabbriche di produzione di asfalto e nelle fonderie. Tali separatori di polveri dinamici sono in grado di trattenere le particelle di polvere, le cui dimensione non siano inferiori ai 15 micron. La rotante centrifuga crea sull'albero una differenza di pressione che consente di spostare i gas. Sotto l'influenza della forza centrifuga, invece, le particelle di polvere vengono sbalzate in una zona periferia e poi vengono espulse dall'unità con una certa quantità di gas.
Il principio di funzionamento di questi dispositivi consiste nella rimozione delle particelle di impurità dal flusso di gas sotto l'azione di forze inerziali. In questi impianti il flusso da depurare cambia bruscamente la sua direzione di movimento e contemporaneamente perde velocità di spostamento con la conseguenza che le particelle in sospensione, cercando di mantenere il loro livello di velocità, si separano dal flusso di gas.
Il separatore di ceneri è un tipo di questi impianti. Strutturalmente tale dispositivo consiste in un tubo dotato di una griglia di tramezzi inclinati. La funzione dei tramezzi è una sorta di filtraggio delle particelle solide. Quindi, le particelle di cenere sospese passano attraverso il tubo con il flusso di gas e colpiscono il tramezzo. Tale contatto delle particelle con la superficie delle griglie le rigetta nella direzione opposta del movimento del flusso di gas.
In questo modo, da un lato della griglia si accumula il gas con la polvere (circa il 10% del flusso totale), mentre dall'altro il gas purificato. Il gas con la polvere viene mandato nel separatore e quindi sottoposto ad una pulizia aggiuntiva nei cicloni.
I separatori di polveri gravitazionali e inerziali consentono di ripulire i flussi di gas da particelle grandi e pesanti, le cui dimensioni minime sono di 50 micron. Tali impianti sono utilizzati solo per il pre-trattamento dei gas, tra cui anche quelli ad alta concentrazione di polvere.
La camera (a deposizione) per polveri è il macchinario con la struttura più semplice. La sedimentazione delle particelle solide nella camera si verifica quando ci è un flusso lento di gas polveroso.
Le camere a deposizione per polveri sono di grandi dimensioni e hanno una bassa efficienza operativa. Tuttavia, trovano un'ampia applicazione in settori industriali come quello chimico, minerario e metallurgico. I vantaggi di questi dispositivi consistono nel fatto che sono semplici e affidabili nel loro utilizzo e hanno una bassa resistenza idraulica.
Nell'immagine viene illustrata una camera a deposizione per polveri. Considerando le enormi dimensioni della camera, per la sua produzione vengono più spesso utilizzati mattoni o cemento. La sedimentazione delle particelle si verifica quando il flusso dell’aria ha un movimento laminare, la velocità del quale deve essere fino a 1-2 m/s. Con una velocità più elevata è possibile un trascinamento secondario delle particelle.
L'efficienza della camera per polveri cresce con l'aumento della sua area e la riduzione dell'altezza. Pertanto, per una maggiore produttività la camera viene dotata di ripiani orizzontali o inclinati con una distanza in verticale di 100-300 mm l'uno dall'altro. In questo modo, quando si installano n ripiani, l'efficienza della camera di polvere aumenta di n volte.
Nelle camere a deposizione per polveri la sedimentazione delle particelle è possibile non solo dai flussi orizzontali ma anche da quelli verticali. Per lavorare con masse a movimento verticale vengono utilizzati dispositivi di tipo riflesso (o riflettori). Il loro componente principale è il collettore ad anello montato sulla canna fumaria su cui si depositano le particelle.
Per migliorare l'efficienza di pulizia nella camera a deposizione e ridurne le dimensioni, la deposizione gravitazionale si combina con quella inerziale. In particolare, viene progettata una particolare struttura in cui la direzione del flusso d'aria cambia improvvisamente. Con ciò, delle forze inerziali iniziano ad agire sulle particelle, che le costringono a cercare di muoversi nella direzione precedente. Di conseguenza, le particelle vengono facilmente separate dal flusso di gas. Molti separatori di polveri inerziali funzionano in base a questo principio. Possiamo riportare come esempio la struttura dei «sacchetti da polvere» che sono tipici di questa classe.
Per ridurre un trascinamento secondario, la struttura dei separatori inerziali prevede un silos più profondo e la parte del corpo cilindrica.
Il principio di funzionamento delle camere a deposizione per polveri consiste nel fatto che all'interno di questo impianto il gas si muove così lentamente che le polveri hanno il tempo di stabilirsi a seguito dell’azione della forza di gravità. Tanto minore è l'altezza della camera, quanto più velocemente si depositano le particelle. Per questo motivo, all'interno di queste camere vengono installati dei tramezzi orizzontali (paralleli o inclinati). La distanza tra i tramezzi è compresa tra i 400 e i 1000 mm. In questo modo, la superficie di deposizione aumenta e il gas si distribuisce in modo più uniforme sulla larghezza della camera. Questo tipo di apparecchi è caratterizzato da una bassa efficienza e da grandi dimensioni. Tali impianti vengono utilizzati solo per la pulizia primaria e grossolana dei gas.
Depurazione dei gas dalle polveri nelle camere a deposizione.
Il processo di depurazione dei gas dalle polveri, in cui le particelle solide si depositano per gravità, viene effettuato nelle camere a deposizione.
La camera ha la seguente struttura. Il corpo è dotato di ripiani orizzontali. I ripiani si trovano a una distanza di 100-300 mm l'uno dall'altro e formano così dei canali. Entrando nel corpo della camera, il gas polveroso passa tra i ripiani mentre i le particelle solide si depositano sulla loro superficie. Nel corpo è inoltre installato un tramezzo riflettente verticale 3, che garantisce una distribuzione uniforme del gas per i canali. Una volta che il gas passa i ripiani, si scontra con il tramezzo e viene espulso dalla camera. Quando il gas si scontra con il tramezzo, da esso si separa una parte della polvere sotto l'influenza della forza di inerzia. La rimozione della fase solida dalla camera avviene attraverso le aperture grazi a dei raschietti o viene lavata via con acqua.
Le camere a deposizione per polveri consentono di installare un gran numero di ripiani, aumentando così la superficie per la deposizione delle polveri. Tuttavia, nonostante questo, sono in grado di rendere il gas più pulito più del 30-40%. Con ciò, si depositano solo le particelle grandi, di dimensioni superiori ai 5 micron. Per questo motivo le camere a deposizione per polveri si usano per una pulizia grossolana di gas altamente polverosi in cui ci sono particelle relativamente grandi.
Un variante di impianto inerziale è il separatore di polveri a feritoia. Nella sua struttura è previsto un reticolo di piastre inclinate, che cambia la direzione del flusso di gas. Il collettore di polveri a feritoia consente di separare le particelle di dimensioni maggiori ai 20 micron e si applica nei casi in cui sia necessaria una pulizia preliminare dei gas. Dopo di che, il gas passa ad un’ulteriore pulizia nei cicloni o nei filtri a manica.
Per calcolare la camera a deposizione per polveri si determinano le dimensioni della superficie di deposizione e la dimensione minima delle particelle.
Nel separatore inerziale di tipo conico, il gas si muove dall'alto verso il basso, attraverso una griglia. La griglia consiste in una serie di anelli sovrapposti, che si trovano a una distanza di 2-3 mm. La polvere e parte dell'aria polverosa viene rigettata verso l'asse del separatore di polveri. Il gas purificato passa attraverso la griglia e viene rimosso dal coperchio. L'aria polverosa esce attraverso lo stretto foro inferiore dell'apparecchio.
Generalmente vengono inclusi tra i vantaggi dei separatori inerziali conici le loro piccole dimensioni e la semplicità della loro struttura (compresa la mancanza di parti mobili).
I separatori di polveri rotanti a secco (a rotazione) sono degli impianti che contemporaneamente mescolano e purificare l'aria. Lo schema tipico di un impianto a rotazione per la separazione della polvere è rappresentato di seguito.
Schema di un separatore di polvere meccanico a rotazione tipico.
La girante è realizzata a forma di disco concavo, sulla quale sono posizionate le alette. Questa struttura è collocata in un corpo a forma di chiocciola. Il gas non depurato viene alimentato tramite un condotto lungo l'asse della girante. Come risultato dell'azione delle forze inerziali, il gas riempie lo spazio presente negli stretti canali tra le alette della girante. Le particelle di polvere solide, che hanno un peso maggiore rispetto al gas, sono soggette all’azione di forze centrifughe. La polvere si attacca al disco e alle alette, scivola su di loro dal centro alla periferia e entra nello spazio tra la il corpo e il disco. Dopo di che, le particelle vengono fatte passare nel collettore di polveri. Dal collettore di polveri la miscela di gas, contenente fino al 5% di gas, entra nel silos, dove si deposita. Il gas puro viene fatto uscire tramite un tubo di uscita.
Generalmente ai dati impianti si attribuiscono i seguenti vantaggi: il rendimento elevato, le dimensioni ridotte, la semplicità d'uso, la qualità della purificazione da particelle di polvere piccole.
Il processo di deposizione consiste nella rimozione di polvere e altre particelle che si trovano nel gas. Il coefficiente di depolverazione η è la misura della qualità di eliminazione delle particelle dal gas. Questo parametro viene definito come una diminuzione della concentrazione delle particelle nel gas e della concentrazione iniziale di queste particelle.
Grado di cattura:
η = [(c0- c1)/c0]•100%
Depolverazione:
Più piccole sono le dimensioni della polvere, peggio avviene il processo di deposizione. Di conseguenza, con la deposizione di polvere con grani di grandi dimensioni, la depolverazione ha coefficienti più elevati, mentre per le polveri sottili i dati di performance sono sempre inferiori.
Il filtro depolveratore ad immersione ha un grado di cattura di circa l’80% in presenza di un grano della polvere di 100 micron.
La polvere fine, le cui particelle hanno una dimensione di circa 10 micron, ha un grado di precipitazione di circa il 20%. La polvere microscopica, invece, la cui dimensione è solo di 1 micron, con un filtro in tessuto non si deposita affatto. Altri dispositivi di depolverazione, come ad esempio l’elettrofiltro, hanno una gamma di depolverazione e un grado di depolverazione un po’ diversi.
La polvere industriale ha raramente una dimensione omogenea delle particelle. Ad esempio, la polvere di lignite può contenere particelle di dimensioni comprese tra 1 e 60 micron. Di conseguenza, se si utilizza un filtro depolveratore ad immersione, le particelle più grandi verranno eliminate, mentre quasi tutte quelle piccole oltrepasseranno il filtro.
La depolverazione meccanica dei gas avviene sotto l'influenza di forze centrifughe, inerziali e di gravità.
La sedimentazione gravitazionale.
Sulle particelle di polvere che si trovano nel gas agiscono forze come la forza di eiezione FA e la forza di gravità FG. Nel processo di sedimentazione delle particelle si crea anche la forza di resistenza del flusso, indicata come FW. Quando si forma la forza risultante FR, si forma un equilibrio tra queste tre forze. La forza risultante ha una direzione d'azione verso il basso e fa sì che la polvere si depositi alla velocità vА.
Vale la pena notare che la velocità di deposizione delle particelle è direttamente proporzionale alla loro dimensione. Inoltre, le particelle di dimensioni inferiori a 0,1 micron non precipitano affatto poiché in tali particelle il movimento termico prevale sulla forza di gravità. In tal caso, se per la deposizione delle particelle bisogna utilizzare la forza di gravità, è necessario scegliere una modalità di alimentazione del gas con le particelle di polvere, che faccia in modo che le particelle abbiano abbastanza tempo per la deposizione. Questo processo si ottiene nel canale di depurazione del gas. Il canale del gas è un serbatoio con una dimensione abbastanza grande, in cui viene mandato il gas. A questo punto, la velocità del flusso diminuisce e la sezione trasversale del flusso, al contrario, aumenta perché il gas si trova nel condotto di gas per un determinato periodo di tempo. Con ciò, una certa parte di particelle scende nel collettore di polvere, da cui la polvere viene rimossa in base all'accumulo. Le particelle che non hanno lasciato la traiettoria del flusso e non sono scese, non si depositano affatto.
Le dimensioni delle particelle, che si prestano a precipitazione, vengono chiamate granulometria di separazione. Minore è la velocità del flusso e la traiettoria della corrente è alta, minore è la granulometria della separazione.
Nella tasca di cattura della polvere, è possibile notare le traiettorie di flusso più basse. Nella tasca la sezione trasversale del flusso si divide tramite degli ugelli orizzontali cordati.
In questo modo, la velocità di sedimentazione delle particelle di polvere è molto bassa. Le particelle cadono sugli ugelli cordati e formano grandi fiocchi. Grazie al vibratore i fiocchi scendono per le superfici inclinate nel raccoglitore cilindrico.
Si noti che la deposizione gravitazionale nel canale del gas è adatta esclusivamente alla rimozione di particelle di polvere di circa 100 micron. Per la rimozione di polveri sottili, invece, si applica il flusso di gas-trasportatore.
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