I processi di separazione dei componenti nei sistemi gas-solido come la rimozione di impurezze e la raccolta del particolato costituiscono un’operazione importante per svariate attività industriali, in particolare quelle chimiche. I processi di separazione gas-solido possono essere ottenuti mediante sedimentazione gravitazionale centrifugazione, effetti elettrostatici, filtrazione e lavaggio a umido.
Grazie ai processi di separazione gas-solido è infatti possibile:
- eliminare le impurità presenti nelle materie prime
- purificare i prodotti ottenuti nei processi industriali
- rimuovere gli inquinanti presenti in effluenti di diversa provenienza o che si accumulano in determinati ambienti.
Separazione
La sedimentazione permette la separazione sulla base delle diverse densità della fase dispersa rispetto alla fase disperdente. Per effetto della gravità la fase con densità maggiore tende infatti a depositarsi spontaneamente al di sotto della fase meno densa. I sedimentatori solido-gas sono costituiti da camere vuote con setti orizzontali aventi lo scopo di ridurre l’altezza di caduta delle particelle ( camere di Howard). La loro efficienza di separazione è comunque limitata riuscendo a separare bene solo le particelle di diametro superiore a 10-20 μm. Per particelle più fini i tempi di permanenza sono troppo lunghi e pertanto si utilizzano altri metodi di separazione.
La centrifugazione sfrutta lo stesso principio su cui si basa la sedimentazione, esaltandolo però con l’impiego di una elevata accelerazione centrifuga impressa mediante la rotazione di un contenitore al posto della accelerazione di gravità.
Separatori inerziali
Nell’ambito dei dispositivi utilizzati per la separazione del solido da un gas che si basano sulla centrifugazione vi sono i separatori inerziali che possono essere usati in una vasta gamma di condizioni di temperatura e pressione. Le loro prestazioni sono efficienti se le dimensioni delle particelle solide sono maggiori di 10 micron. I separatori inerziali separano la polvere dai flussi di gas utilizzando una combinazione di forze, come quella centrifuga, gravitazionale e inerziale. Queste forze spostano la polvere in una zona dove le forze esercitate dal flusso di gas sono minime consentendo la separazione del solido.
Tra i separatori inerziali particolare rilevanza hanno i cicloni nei quali la corrente di gas e polvere è fatta passare in un sistema composto da due cilindri concentrici. Al gas in entrata viene imposto un moto a spirale nell’intercapedine presente tra i due cilindri, dall’alto verso il basso. I gas potranno poi uscire passando attraverso il cilindro interno, più basso di quello esterno. Le particelle, aventi maggiore inerzia rispetto al gas, tenderanno a sbattere contro le pareti del cilindro più esterno, e a cadere sul fondo del sistema, ove è collocata una tramoggia per il recupero delle polveri. Le polveri possono quindi essere recuperate per una successiva fase di trattamento
Precipitatori elettrostatici
I fenomeni elettrostatici sono sfruttati dai precipitatori elettrostatici che agiscono sottoponendo i fumi ad un campo elettrico molto intenso. In queste condizioni si vengono a creare molte coppie ioni-elettroni all’interno del gas. Gli ioni positivi verranno attratti dall’elettrodo negativo, mentre gli elettroni tenderanno a muoversi verso l’elettrodo positivo detto di captazione, ma tenderanno a venire intrappolati da molecole gassose come gli ossidi di zolfo e l’ossigeno. Si formano così degli ioni negativi, che tendono, per raggiungere maggiore stabilità, a venire adsorbiti dalle particelle di particolato presenti nei fumi. Questo effetto è detto “effetto corona“. Il particolato infatti, che di per sé è neutro e dunque non subisce in alcun modo la presenza di un campo elettrico, viene di fatto caricato e tende a dirigersi verso l’elettrodo di captazione dove, una volta a contatto con esso, perde la sua carica e cade lungo le pareti del precipitatore.
Fenomeni fisici
I fenomeni fisici coinvolti nella separazione dei solidi dai gas sono influenzati da un numero di fattori quali le:
- proprietà del gas
- interazioni tra i gas
- particelle e tra le particelle stesse.
Le operazioni che si prestano a questo scopo in relazione alle caratteristiche della miscuglio eterogeneo e al grado di separazione richiesto sono quindi le più svariate.
Mentre la scelta della metodologia più idonea per la separazione di un solido da un gas dipende da numerosi fattori tra cui la necessità di ottenere un gas più o meno esente da particelle solide con i relativi costi, nelle applicazioni ad alta efficienza è necessaria la filtrazione che permette di ottenere la separazione delle particelle solide con l’ausilio di un mezzo filtrante dotato di apertura inferiore alle dimensioni medie delle particelle stesse. Queste ultime sono quindi trattenute nel mezzo filtrante formandovi uno strato solido poroso detto torta che contribuisce in maniera determinante alla filtrazione.
Per applicazioni industriali sono usati materiali filtranti presenti su supporti quali fibra, tessuto, ceramica, reti metalliche che hanno una discreta vita operativa. Uno dei supporti più efficienti è costituito da metallo poroso sinterizzato che risulta ha un rapporto costi/separazione molto vantaggioso.