La polvere è un problema ricorrente nella produzione dell’industria farmaceutica e chimica. Poiché si tratta di un problema indesiderato, è necessario adottare delle misure per evitare la comparsa di queste polveri. Una possibilità è l’utilizzo di sistemi di filtraggio, i cosiddetti estrattori di polvere. In questi sistemi, la polvere viene separata dall’aria e raccolta.
A questo scopo, i sistemi di filtraggio sono dotati di elementi filtranti nei cui supporti o tappeti filtranti la polvere viene intrappolata e impedita di essere trasportata ulteriormente con l’aria. Esistono diversi modelli di filtro e diversi materiali con cui i filtri possono essere realizzati.
Di seguito ti spieghiamo come funziona il principio di filtrazione per capire cosa è importante quando si selezionano i materiali.
Criteri che influenzano la selezione del filtro
La scelta del numero, del tipo e dei materiali degli elementi filtranti – noti anche come celle filtranti – dipende dalla natura della sostanza da filtrare e dalle condizioni in cui avviene la filtrazione. Devono essere rispettate le seguenti condizioni:
Flusso volumetrico[m3/h]: il flusso volumetrico descrive la quantità di aria da filtrare all’ora. Poiché il design dell’elemento filtrante è limitato, il numero di elementi filtranti deve aumentare con l’aumentare del flusso volumetrico.
Composizione del mezzo: le applicazioni spesso coinvolgono aria carica di particelle. Tuttavia, il fluido può contenere anche altri gas e polveri. La composizione del fluido che attraversa il filtro determina la scelta dei materiali filtranti, poiché le sostanze devono essere compatibili tra loro e non devono reagire per evitare ulteriori rischi.
Temperatura dell’aria [°C]: la temperatura dell’aria che passa attraverso le celle filtranti – così come la sua composizione – determina i materiali filtranti. A temperature più elevate, è necessario utilizzare materiali resistenti al calore per evitare un’usura prematura o addirittura la distruzione della cella filtrante.
Carico di polvere dell’aria [mg/m3]: il carico di polvere indica la quantità di polvere o di particelle presenti nell’aria da filtrare. Questa quantità determina il tipo di filtro. Un elemento filtrante ha solo una certa durata, cioè la sua capacità di assorbire la polvere fino a quando non si intasa. Più particelle ci sono nell’aria, più velocemente il filtro si intasa e raggiunge il suo limite operativo. A seconda del tipo di filtro, il filtro può essere pulito e quindi pronto all’uso oppure, se non è possibile, deve essere sostituito.
Requisiti del processo: Dal processo emergono le seguenti domande: – Cosa si deve fare con il materiale separato? – Deve essere semplicemente separato o deve essere riutilizzato? – Come deve essere gestito il sistema di filtraggio?
Sono possibili tempi di inattività dovuti alle attività di manutenzione del processo o il sistema di filtraggio deve funzionare ininterrottamente? – Ci sono normative che devono essere rispettate a causa delle applicazioni, ad esempio ATEX? – Ci sono requisiti relativi al contenimento?
Le risposte sono importanti per la scelta degli elementi filtranti perché determinano la capacità di pulizia e il numero di filtri o il tipo di design.
- Se le sostanze devono essere riciclate, la cella filtrante deve poter essere pulita. In caso contrario, la sostanza rimane nel mezzo filtrante e viene smaltita insieme alla cella filtrante.
- Se il sistema di filtraggio deve essere utilizzato in modo continuo, è necessario prevedere filtri aggiuntivi in modo che il flusso volumetrico possa essere distribuito di conseguenza durante la pulizia (la filtrazione sul filtro non è possibile durante la pulizia, per questo motivo il flusso volumetrico viene distribuito agli altri filtri).
- Se è presente un’atmosfera esplosiva e c’è il rischio di esplosione, la cella filtro e i suoi componenti devono essere messi a terra per evitare effetti elettrostatici.
- Se ci sono dei requisiti di purezza dell’aria, i gruppi di filtri devono essere rispettati in base alle classi di filtraggio
Struttura e modalità di funzionamento di una cella filtrante
Per comprendere meglio l’influenza di questi criteri, è necessario conoscere il principio di funzionamento degli elementi filtranti.
La polvere, o meglio le varie particelle che contiene, hanno diverse proprietà che sono determinanti per l’efficienza del filtraggio.
Oltre alle proprietà della polvere in sé – la polvere appiccicosa, ad esempio, fa sì che il mezzo filtrante si intasi più rapidamente, mentre la polvere libera è molto facile da filtrare – bisogna considerare anche le proprietà delle singole particelle e della cella filtrante.
Struttura della cella filtrante
- Mezzo filtrante
- Distanziatore
- Composto per l’intaso
- Guarnizione
- Struttura in metallo
Effetti della filtrazione
Per spiegare il principio della filtrazione – cioè la separazione meccanica delle sostanze dai gas – dobbiamo considerare la cella filtrante nel suo complesso e le fibre filtranti in particolare: è qui che i piccoli effetti fisici hanno un impatto importante per il risultato più grande. Le particelle che attraversano la cella filtrante seguono il flusso dell’aria. Le dimensioni e la natura di queste particelle determinano ciò che accade all’interno della cella filtrante, in corrispondenza delle fibre filtranti.
Effetto inerziale: una particella con unamassa elevata è relativamente inerte. Se l’aria passa davanti alla fibra del filtro, questa particella non può seguirla, colpisce la fibra e vi si attacca.
Diffusione Una particella di dimensioni moltopiccole scorre con il flusso d’aria, ma non segue le linee di flusso, bensì le devia. Durante questi movimenti, può colpire una fibra o altre particelle e attaccarsi ad esse. La causa di questo comportamento diffusivo risiede nel movimento molecolare browniano.
Effetto bloccante: sebbene una particelladi grandi dimensionisegua il flusso d’aria sulle linee di flusso, è troppo grande per evitare le fibre del filtro. A causa delle sue dimensioni, colpisce la fibra del filtro mentre scorre intorno ad essa e vi si attacca.
Attrazione elettrostatica (forze di Van der Waals): il movimento e l’attrito associato alle particelle può far sì che queste e la fibra filtrante sicarichino elettrostaticamente. Se la carica è opposta in ciascun caso, la particella è attratta dalla fibra filtrante e vi si attacca.
Questi effetti fanno sì che le particelle dell’aria vengano trattenute nel mezzo della cella filtrante. Il grado di efficienza è indicato dall’efficienza, nota anche come efficienza di separazione. Questa indica quante particelle rimangono nella cella filtrante o quante particelle sono ancora presenti nell’aria di scarico dopo aver attraversato la cella filtrante. L’efficienza di separazione è espressa in percentuale (numero di particelle separate rispetto alle particelle in ingresso).
L’influenza dei vari effetti sull’efficienza di separazione è mostrata nel seguente diagramma:
- Diffusione A Grado di separazione [%]
- Effetto bloccante PM Dimensione delle particelle [µm]
- Effetto inerziale particelle MPPS 0,1-0,3 µm -> filtrazione minima
Poiché nell’aria sono presenti particelle di dimensioni e proprietà diverse, i suddetti effetti agiscono in modi diversi. Le particelle più piccole vengono separate grazie alla diffusione. Le particelle più grandi rimangono nel mezzo filtrante per effetto dell’inerzia o del blocco. Nel mezzo, ci sono effetti sovrapposti che influenzano l’efficienza di separazione della cella filtrante.
Il diagramma di esempio mostra chiaramente che esiste un livello minimo di filtrazione ad una certa dimensione delle particelle. Questo punto basso viene definito “MPPS = Most Penetration Particle Size”. Questo intervallo è presente ad una dimensione di particelle compresa tra 0,1 µm e 0,3 µm e copre le prestazioni di filtrazione delle particelle che l’esperienza ha dimostrato essere le più difficili da filtrare. La cella filtrante viene classificata in base al grado di separazione in questo punto. Classificando la cella filtrante in diversi livelli o classi in base a vari standard, la cella filtrante può essere descritta di conseguenza in modo da poter essere confrontata con i requisiti di contenimento del processo.
Conclusione
La conoscenza delle condizioni prevalenti e delle proprietà delle polveri presenti gioca un ruolo molto importante nella pianificazione e nella progettazione dei sistemi di filtraggio e, soprattutto, degli elementi filtranti. Questo si traduce nei requisiti che una cella filtrante all’interno del sistema di filtraggio deve soddisfare per produrre aria di scarico della qualità desiderata. Grazie a queste conoscenze, è possibile determinare la cella filtrante più adatta al processo tra l’ampia gamma di celle filtranti disponibili. In questo caso è fondamentale un confronto con gli ingegneri del produttore, che hanno l’esperienza necessaria per progettare e selezionare i componenti giusti.
