Apparecchiature fluidodinamiche - 1
LEZIONI DI CONTROLLO E SICUREZZA
DEI PROCESSI IN AMBITO FARMACEUTICO
PROF.SSA ING. MAURIZIA SEGGIANI
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tel: 050 2217881
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.
APPARECCHIATURE DINAMICHE PER IL
TRASPORTO DEI LIQUIDI


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 .
LE POMPE (CLASSIFICAZIONE)
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.
POMPE CENTRIFUGHE
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.
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.
POMPE CENTRIFUGHE
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 (CARATTERISTICHE)
Le caratteristiche di una pompa centrifuga sono:

Prevalenza, H:

Portata volumetrica, Qv:

Numero di giri, n: fatti dalla girante nell’unità di tempo. E’ molto elevato, va da 200
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.
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.
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 (CURVA CARATTERISTICA)

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
POMPE ASSIALI
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 VOLUMETRICHE
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 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.
POMPE ALTERNATIVE
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 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.
La pompa LEWA ecoflow è una pompa
dosatrice a membrana ad azionamento
idraulico per applicazioni nelle industrie
farmaceutica
video su https://youtu.be/iGVQATNm9ZI
POMPE ROTATIVE
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.
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
POMPE ROTATIVE
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).
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.
APPARECCHIATURE STATICHE
PER IL TRASPORTO DEI LIQUIDI
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.