LEZIONI DI CONTROLLO E SICUREZZA DEI PROCESSI IN AMBITO FARMACEUTICO PROF.SSA ING. MAURIZIA SEGGIANI maurizia.seggiani@unipi.it tel: 050 2217881

Apparecchiature fluidodinamiche - 1

I fluidi in moto in un impianto, fisicamente altro non sono che dei pesi spostati: sicché il loro trasferimento è un tipico processo che implica un lavoro con spesa di energia. Le macchine usate per compiere questo lavoro possono essere di tipo dinamico o di tipo statico.

Macchine di tipo dinamico: pompe, compressori e ventilatori.

Macchine di tipo statico: eiettori.

Le pompe

Le pompe sono macchine idrauliche operatrici che, ricevendo energia meccanica da una macchina motrice (motore elettrico, motore a combustione, turbina), la trasmettono al liquido che le attraversa.

La quantità di energia da fornire dall’esterno ad un liquido per farlo muovere entro un condotto si calcola con l’eq. di Bernoulli:

H è la prevalenza totale (o prevalenza manometrica) della pompa.

Le pompe constano di una parte fissa (carcassa) e di una parte mobile che trasferisce l’energia al liquido .

APPARECCHIATURE DINAMICHE PER IL TRASPORTO DEI LIQUIDI

In base a come viene trasferita l’energia al liquido le pompe si suddividono in:

pompe cinetiche: in cui, grazie all'azione di forze centrifughe, il liquido incrementa dapprima la sua energia cinetica che viene successivamente trasformata in energia di pressione. A questa categoria appartengono le pompe centrifughe, pompe di impiego più comune, e le pompe assiali.

pompe volumetriche: in cui il liquido viene spinto all’organo in movimento che fa tenuta con la carcassa, l’energia viene trasferita al liquido aumentandone direttamente la pressione. A questa categoria appartengono la pompe alternative e rotative.

LE POMPE (CLASSIFICAZIONE)

Le pompe centrifughe sono molto diffuse in quanto offrono una notevole resistenza all’usura, elevato numero di giri e quindi facile accoppiamento diretto con i motori elettrici, portate continue abbastanza elevate (4-8 m3/s), valori di prevalenza H da 100 a 500 metri di colonna d’acqua (m.c.a.). Le pompe centrifughe sono utilizzate in un vastissimo campo di applicazioni.

POMPE CENTRIFUGHE

Sono costituite da una girante, connessa con l’albero di un motore, che ruota all’interno di una carcassa. Il liquido entra in direzione assiale. A seconda della direzione del flusso di uscita, si distinguono pompe a flusso radiale (le più comuni), in cui il flusso di uscita è in direzione radiale, a flusso assiale, con flusso di uscita assiale e pompe a flusso misto. Le pompe a flusso radiale sono costituite da una serie di palette che creano dei vani in cui trova posto il liquido. Il moto rotatorio della girante determina una forza centrifuga sulle particelle del liquido che vengono proiettate nella periferia. Quando il liquido abbandona la girante entra nel diffusore. Questo, grazie alla sua sezione di passaggio crescente, abbassa gradualmente la velocità, trasformando l’energia cinetica in energia di pressione.

E’ possibile scegliere diverse tipologie di girante, in funzione della prevalenza richiesta e del tipo di fluido da spostare. Per fluidi con solidi sospesi c’è bisogno di giranti aperte, per liquidi aggressivi c’è bisogno di giranti di materiale opportuno o rivestite di PTFE.

POMPE CENTRIFUGHE

Per ottenere alte prevalenze H (> di 100 m.c.a.) si possono usare pompe centrifughe a girante multipla, la prevalenza è data dalla somma delle prevalenze di ogni singola girante:

POMPE CENTRIFUGHE

Le caratteristiche di una pompa centrifuga sono:

Prevalenza, H: energia acquisita da 1kg di liquido pompato per fargli superare

eventuali dislivelli (prevalenza geometrica) e/o per aumentarne la pressione (prevalenza piezometrica) e/o aumentarne la velocità (prevalenza cinetica) e per vincere la resistenza al moto (perdite di carico). Hmax = 100 m.c.a. con una pompa centrifuga ad una sola girante.

Portata volumetrica, Qv: la quantità in volume di liquido che con essa si può

smaltire nell’unità di tempo. Con una pompa centrifuga si può andare da piccole portate fino a 12000 m3/h.

Numero di giri, n: fatti dalla girante nell’unità di tempo. E’ molto elevato, va da 200

a 4000 giri/min, e raggiunge valori di 70000 giri/min per pompe comandate da turbine.

Potenza utile, Wu: quantità di energia che la pompa trasferisce al liquido nell’unità

di tempo:

Potenza assorbita, Wa: quantità di energia che nell’unità di tempo viene assorbita

dalla pompa, maggiore di quella trasferita al liquido a causa degli attriti.

Rendimento, h:

(varia da 0,65-0,75)

POMPE CENTRIFUGHE (CARATTERISTICHE)

Le prestazioni di una pompa centrifuga sono espresse dalla curva caratteristica, di cui un esempio appare sopra (curva rossa continua). Nell'esempio, si vede una pompa avente portata 16 m³/h e prevalenza 40,5 m (questa coppia di valori è definita punto di lavoro). La curva rossa è la caratteristica vera e propria, e si vede come alla portata di 20 m³/h la prevalenza si riduca a circa 36 m. Le curve rosse tratteggiate indicano le prestazioni con numero di giri della girante diverso. Le curve color ocra indicano il rendimento totale della pompa (solitamente espresso in percentuale), che nel nostro caso è di poco inferiore al 50%. La curva verde indica l’NPSH (Net Positive Suction Head, pressione minima necessaria all’imbocco della pompa per impedirne la cavitazione dovuta all’evaporazione del liquido) della pompa, nel nostro caso pari a circa 1.4 m; si noti come si abbia il minimo NPSH, circa 1 m, alla portata di rendimento massimo. La curva blu esprime la potenza assorbita all'asse della pompa con liquido avente densità 1000 kg/m3, nel nostro caso poco superiore a 3 kW.

Nella selezione di una pompa centrifuga, è sempre bene scegliere un modello in cui il punto di lavoro cada nella parte discendente della curva. Ciò perché, oltre ad avere di norma un rendimento più elevato, questa selezione consente un agevole controllo della portata mediante l'interposizione, in mandata, di una perdita di carico variabile (solitamente una valvola di regolazione).

POMPE CENTRIFUGHE (CURVA CARATTERISTICA)

POMPE CENTRIFUGHE POMPE CENTRIFUGHE

Nelle pompe assiali il movimento del fluido è assicurato da un'elica intubata, che spinge il fluido stesso come un'elica marina. Di concezione piuttosto recente, sono state utilizzate originariamente nei grandi lavori di bonifica, come idrovore, e in seguito hanno avuto impiego industriale in tutti quei casi in cui veniva richiesta una grande portata (normalmente superiore a 1000 m3/h) a bassa prevalenza (normalmente inferiore a 4 m.c.a.). Esistono oggi pompe assiali con portate superiori a 50000 m3/h.

POMPE ASSIALI

Le pompe volumetriche sono pompe in cui il liquido viene spinto dall’organo in movimento che fa tenuta con la carcassa. In esse l’energia meccanica di spinta viene trasferita al liquido aumentandone direttamente la pressione. Le pompe volumetriche si distinguono in pompe alternative (o a stantuffo) e pompe rotative.

POMPE VOLUMETRICHE

Pompe alternative Sono caratterizzate dal moto rettilineo alternato di un

organo mobile (stantuffo); lo stantuffo esercitando una pressione sul fluido gli trasferisce l’energia. La carcassa delle pompe alternative è costituita essenzialmente da un cilindro cavo avente la superficie interna perfettamente liscia. Su di essa, in prossimità di una delle due basi, sono sistemate due valvole unidirezionali, delle quali una si apre verso l’interno per consentire l’ingresso del liquido in fase di aspirazione e l’altra si apre verso l’esterno per consentire al liquido, in fase di compressione, di uscire. Lo stantuffo ha diametro leggermente più piccolo del diametro interno del cilindro, ma opportune guarnizioni garantiscono la tenuta tra le due parti Lo stantuffo riceve il moto dall’organo motore tramite un meccanismo a biella-manovella (o ad eccentrico). Questo meccanismo permette di trasformare il moto rotatorio, fornito dal motore, nel moto rettilineo alternato dello stantuffo.

Portata di una pompa alternativa e sua regolazione

Poiché la velocità istantanea dello stantuffo varia con il tempo, ne consegue che varia anche la portata volumetrica. Come si osserva nella figura sottostante la portata è pulsante.

Per ridurre l’irregolarità della portata si ricorre all’uso di pompe alternative a doppio o a triplo effetto (triplex) a tre cilindri sfalsati di 120°, come illustrato :

POMPE ALTERNATIVE

Casse d’aria: per regolarizzare la portata nel condotto di mandata delle pompe alternative a semplice e a doppio effetto si inserisce sul percorso della tubazione stessa una cassa d’aria, avente funzione di volano per la portata e di attenuatore delle oscillazioni di pressione; essa è costituita da un recipiente cilindrico ad asse verticale, molto vicino alla pompa e parzialmente riempito d’aria. Durante la corsa di mandata dello stantuffo, parte della portata si avvia all’utilizzazione e parte risale nella cassa, comprimendo l’aria in essa contenuta; durante la successiva corsa di aspirazione, la pressione nella cassa d’aria spinge l’acqua nel condotto di mandata, fornendo una più regolare erogazione. Pertanto, per la presenza della cassa d’aria, la portata ha un andamento che è sempre sinusoidale, ma con una variazione di portata sensibilmente più piccola.

POMPE ALTERNATIVE

Usi: trasporto di liquidi generalmente limpidi (non contenenti particelle solide), poco o mediamente viscosi per ridurre le perdite di carico nelle valvole d’aspirazione e di mandata.

Portate limitate : max 50L/s

Prevalenze elevate: fino a 4000 m.c.a.

POMPE ALTERNATIVE

POMPE A MEMBRANA

Le pompe a membrana sono usate per trasportare liquidi corrosivi e liquidi contenenti sospensioni di solidi abrasivi. Sono divise in due sezioni separate tra loro da una membrana (diaframma) di gomma, cuoio o altro materiale plastico. In una sezione dell’apparecchiatura il pistone spinge il liquido contro la membrana che si deforma elasticamente in concomitanza con la spinta del pistone. Il liquido da pompare non viene a contatto con il pistone. La camera della sezione a contatto con il liquido è ricavata in materiale antiacido (es. in grés). La scelta delle valvole deve essere fatta sulla base della viscosità e aggressività del liquido. Sono utilizzate per portate piccole e medie, e prevalenze medie e alte.

video su https://youtu.be/iGVQATNm9ZI

La pompa LEWA ecoflow è una pompa dosatrice a membrana ad azionamento idraulico per applicazioni nelle industrie farmaceutica

Pompe rotative

Sono caratterizzate da un rotore o più organi che si muovono di moto rotatorio intorno all’asse, facendo tenuta fra loro e con la carcassa. Il rotore è azionato da un motore elettrico. Queste pompe non hanno valvole di aspirazione e mandata.

I principali tipi di pompe rotative sono: le pompe ad ingranaggi, le monopompe,, le pompe a capsulismi, a lobi, ad alette e a vite.

POMPE ROTATIVE

Si usano per pompare liquidi molto viscosi e/o corrosivi, ma non sospensioni.

Si usano per pompare liquidi corrosivi, sospensioni e liquidi fangosi (Qvmax = 40 m3/h, Hmax 90 m.c.a.)

POMPE ROTATIVE

Smontaggio di una pompa a lobi; portate da 1 a 1.000 m³/h e pressioni fino a 6 bar in funzionamento continuo

Idonee per fluidi -Contenenti particelle solide (dimensione dei granuli max. 70 mm) o prive di sostanze solide - Con viscosità da bassa ad alta (da 1 mPas a 1 milione di mPas) - Sensibili al taglio - Abrasivi - Lubrificanti e non lubrificanti Portate e pressioni elevate Portate sino a 1.000 m3/h Pressioni sino a 10 bar

Pompa peristaltica: è una particolare pompa rotativa che applica il principio della peristalsi, in base al quale la prevalenza al fluido trattato viene impressa da una strozzatura che scorre lungo il tubo. La pompa è costituita da un rotore a cui sono applicati 2 o più rulli che, ruotando, "strozzano" il tubo e provocano l'avanzamento del fluido. La pompa peristaltica viene utilizzata in tutti quei processi dove esiste l'esigenza di non far venire in contatto il fluido trattato con i componenti della pompa ad es. per ragioni di sicurezza da contaminazioni, come ad esempio nell'industria alimentare, farmaceutica e in campo medicale (circolazione extracorporea, dialisi), o perché il fluido è aggressivo, acido o nocivo contro gli organi della pompa o peggio ancora contro l'uomo (solventi, combustibili, reagenti chimici, ecc). Pertanto applicazioni tipiche sono: dosaggio di fluidi farmaceutici, sistemi di riempimento e dosaggio sterili, colture cellulari, processi di sintesi, processi di purificazione e separazione, applicazioni in laboratorio, dosaggio di saponi, creme, detergenti. Dosaggio di succhi di frutta, salse, liquidi viscosi (sciroppi).

POMPE ROTATIVE

Pompa universale multiuso a 3 rulli, per applicazioni gravose o continuative. Peculiarità classiche della pompa peristaltica: portate da 25 a 350 L/h e pressione fino a 4 bar.

Gli eiettori - Sono dispositivi il cui principio di funzionamento si basa sul trasferimento di energia da un

fluido primario (motore), uscente da un ugello a forte velocità, ad un fluido in lento movimento o stagnante (fluido secondario). Gli eiettori sono in genere impiegati:

Come compressori di vapore. In questo caso il fluido motore e quello mosso sono entrambi costituiti da vapore d'acqua.

Come pompa a vuoto, ossia come compressore di gas. Per questo impiego, il fluido motore è solitamente il vapore d'acqua, ma nelle piccole installazioni si usano anche aria compressa o acqua.

Come pompa per fluidi, solitamente con uguale fluido motore e fluido mosso, salvo che nel caso particolare di eiettore/miscelatore, in cui i fluidi sono diversi proprio per ottenere una miscelazione degli stessi.

APPARECCHIATURE STATICHE PER IL TRASPORTO DEI LIQUIDI