CENTRIFUGAZIONE
CENTRIFUGAZIONE
. La centrifugazione serve a separare, sottoponendoli all'azione della forza centrifuga, solidi da liquidi e liquidi da liquidi, purché non siano disciolti gli uni negli altri. Per la separazione è necessario che esista una sufficiente differenza di peso specifico fra le sostanze che si vogliono separare, oppure che sia apposto un ostacolo materiale allo spostamento di una delle sostanze: p. es. una parete filtrante, come negli idroestrattori.
La forza centrifuga agisce in modo analogo alla gravità, e come (fig. 1) per azione della gravità i solidi sospesi in un liquido torbido lasciato in riposo, in bicchiere, finiscono col depositarsi sul fondo del recipiente, lasciando al disopra di essi uno strato di liquido chiaro, così (fig. 2) i solidi sospesi si depositano sul fondo di una provetta che ruota intorno all'asse O e perciò è sottoposta alla azione della forza centrifuga F) anche in contrasto con la forza di gravità G (posizione a della fig. 2) quando la forza centrifuga diventa maggiore della gravità.
Siccome la forza centrifuga può assumere valori enormemente maggiori di quelli della gravità, la separazione per centrifugazione può essere enormemente più rapida della separazione per semplice azione della gravita o decantazione.
Un corpo pesante P kg. che ruota intorno a un asse, con raggio di rotazione r metri, compiendo n giri al minuto primo, è soggetto a una forza centrifuga C (in kilogrammetri sec.2)
Siccome la forza centrifuga è proporzionale al raggio di rotazione e al quadrato del numero dei giri, si può portarla a valori molto alti aumentando la velocità di rotazione.
Le parti rotanti delle centrifughe e i supporti debbono resistere agli sforzi centrifughi del materiale da trattare e del recipiente che lo contiene. Inoltre si presenta il problema della stabilità del movimento, specialmente negli idroestrattori.
Si hanno così centrifughe ad asse fisso, capace di resistere agli sforzi derivanti da un'eccentricità del carico, e centrifughe autoequilibranti, in cui l'asse è relativamente sottile e i supporti cedevoli, in modo che la velocità di regime del sistema sia notevolmente superiore alla velocità critica; in queste il carico deve essere più accuratamente eseguito; e dovendosi passare all'avviamento per la velocità critica, si hanno sempre dispositivi di frizione che frenino le grandi oscillazioni eventuali e diminuiscano i disturbi per vibrazioni e per precessione. Il comando del recipiente rotante può essere superiore o inferiore, e può essere a mezzo di cinghie con contralbero, con accoppiamento diretto a motore elettrico, talora con macchine a vapore; l'uso della turbina a vapore è economico solo per separatori ad altissima velocità; talora il moto è dato per mezzo di una piccola turbina idraulica. In ogni caso il massimo assorbimento di energia si ha nel periodo di accelerazione all'avviamento, che conviene tenere il più breve possibile comparativamente alla potenza disponibile; la potenza massima durante questo periodo può essere 2,5-3 volte quella del periodo di massima costante velocità. Il motore deve essere perciò dimensionato largamente e gli accoppiamenti è bene che siano graduali (a frizione o centrifughi).
Tutte le macchine centrifughe devono essere dotate di adatti dispositivi per la protezione degli operai e del materiale circostante.
Centrifughe da laboratorio. - Sono usate quando si opera su piccoli volumi. Sono costituite (fig. 3) da una crociera capace di ruotare intorno a un asse portante due, quattro o più tubi nei quali si possono sistemare delle provette o bicchieri, sospesi in modo da rimanere in posizione verticale a macchina ferma e disporsi orizzontalmente quando la crociera è in rapida rotazione. Il caricamento e lo scarico si compiono a macchina ferma. Modelli speciali di queste centrifughe, muniti di recipienti di forma particolare, servono per particolari analisi: così il butirrometro per la determinazione del grasso nel latte.
Idroestrattori. - Servono a separare liquidi da solidi eliminandoli attraverso una rete o una tela filtrante disposta contro il paniere rotante, la quale trattenga il solido. Sono essenzialmente macchine discontinue nel loro funzionamento.
Aumentando l'effetto centrifugo si può naturalmente diminuire l'umidità residua; analogamente aumentando il tempo di centrifugazione. Lo spessore di materiale per ogni carica può esseie qualunque; va limitato per materiali finissimi o quando si vuole un buon lavaggio. Il riempimento può essere fatto a recipiente fermo o a recipiente girante a bassa velocita; come per i filtri, bisogna evitare che il materiale si costipi tr0ppo inizialmente; si deve quindi tenere bassa la velocita e immettere poco liquido. Il carico nelle centrifughe autoequilibranti deve essere fatto con una certa cura. Il lavaggio può essere fatto, come nei filtri; il metodo migliore è a mezzo di spruzzatori a getti sottili e non violenti. La fig. 4 rappresenta un tipo di idroestrattore a comando dall'alto, la fig. 5 un idroestrattore a comando dal disotto.
I recipienti perforati possono essere di rete metallica o di lamiere forate (più comuni); il materiale può essere acciaio, anche zincato, rame stagnato, bronzo fosforoso, alluminio, metallo monel; talora si hanno coperture di ebanite o di gomma. I fori variano da 8 a 3 mm. I recipienti possonoo avere diametri da 10-15 cm. a circa 2 m.
Lo scarico può avvenire in varî modi: dalla bocca, per le lavanderie, dal fondo attraverso aperture chiudibili, o con recipienti sollevabili e ribaltabili; alcuni tipi di macchine hanno lo scarico automatico. Molto spesso il materiale centrifugato non cade da sé a centrifuga ferma, bisogna allora raschiarlo dal basso, operazione che si esegue facendo girare il recipiente a bassa velocità, per mezzo di raschiatori a mano o fissi.
Apparecchi speciali sono le centrifughe da nitazione, usate per la nitrazione della cellulosa. Esse hanno recipienti di grès o di alluminio, sono dotate di due velocità, una, assai bassa, per far circolare la miscela solfonitrica che, filtrata, viene rialimentata al centro, l'altra, alta, per estrarre gli acidi dal cotone nitrato e per il lavaggio. Il recipiente esterno può essere raffreddato. I fumi sono eliminati per apposite tubazioni.
Il rendimento d'una data macchina dipende dal tempo necessario per un ciclo completo. Si possono avere da 2 a 6 cicli all'ora, fino a 10-12 per prodotti speciali (zuccheri greggi); 1-2 minuti s'impiegano per il periodo di accelerazione, 1 minuto e meno per arrestare il recipiente a mezzo dell'apposito freno. Un uomo, a seconda del ciclo e della grandezza, può servire da 1 a 3 macchine.
Septiratori centrifughi. - Funzionando come apparecchi di decantazione, valgono per essi le leggi che regolano la decantazione stessa, quando al peso del materiale si sostituisca la forza centrifuga. La legge di resistenza delle particelle solide o liquide durante il loro moto attraverso la massa liquida è quasi sempre quella di Stokes, date le piccolissime dimensioni di esse; uguagliando la forza centrifuga alla resistenza offerta dal liquido si può ricavare la velocità istantanea con cui si muove la particella, e quindi il tempo necessario per la separazione di essa contro la parete, dato lo strato liquido da attraversare. Quando le particelle sono molte, intervengono le considerazioni di sedimentazione in massa (v. decantazione). Sotto l'azione della rotazione, la superficie libera del liquido si dispone secondo un paraboloide di rotazione ad asse coincidente con l'asse di rotazione della centrifuga. Il suo vertice in generale si trova molto al disotto del piano inferiore della centrifuga, in modo che la sezione di esso che è tagliata dalla centrifuga stessa si può assimilare a una porzione di cilindro.
Le centrifughe industriali sono costituite essenzialmente da un recipiente in forma di solido di rivoluzione (detto anche rotore) che ruota intorno al proprio asse a velocità che varia da qualche centinaio a 40.000 giri il minuto primo, secondo i tipi di macchine.
Le centrifughe possono servire alla separazione di due liquidi di diversa densità intimamente mescolati ed emulsionati: la macchina in tal caso è a funzionamento continuo; oppure si possono separare sospensioni finissime. A seconda della quantità relativa di solido e della natura di esso, il funzionamento della macchina è continuo o discontinuo. In ogni caso, prima della separazione, conviene alterare le condizioni dell'emulsione o della sospensione, se possibile, in modo da diminuirne la stabilità. Con alcune di tali centrifughe, p. es. con le scrematrici del latte, non si mira a separare completamente uno dei componenti la miscela, bensì a separare da questa una frazione più ricca di quel tale componente.
Nelle centrilughe destinate alla separazione dei liquidi, lo scarico avviene continuamente, da luci opportunamente regolate. In talune di queste macchine il recipiente rotante è munito di un anello che lascia presso la parete un passaggio; le cose sono regolate in modo che da questo può uscire solo la parte più pesante. I bordi o i becchi di prelevamento dei due liquidi devono avere diametri legati fra loro dalla condizione di equilibrio dei due anelli liquidi di diverso spessore e di diversa densità. La separazione è tanto più completa, quanto maggiore è il tempo durante il quale i liquidi restano sotto l'azione della forza centrifuga. Per ottenere una separazione più completa si può anche limitare l'ammissione del liquido da trattare. Nei tipi per separazione di solidi, costruiti come idroestrattori a cilindro non perforato, per esempio in quelli usati nell'industria dell'amido, il liquido entra continuamente ed esce finché si è formato uno strato sufficiente di materiale solido contro la parete, che poi viene scaricato con i procedimenti adoperati negli idroestrattori. Essi corrispondono a decantatori statici; sono sempre macchine di diametro grande e quindi con effetto centrifugo relativamente piccolo; il liquido che ne esce raramente è perfettamente limpido.
Le macchine tipo scrematrice hanno forte velocità e tamburo di diametro non grande (30 cm.), talvolta munito di diaframmi. Sono apparecchi a funzionamento generalmente continuo, destinati al trattamento dei liquidi o alla purificazione di questi da piccole quantità di materiali estranei sospesi: dànno una chiarificazione migliore di quella ottenibile con un filtro pressa. La velocità di separazione può essere aumentata suddividendo lo spazio in cui passa il liquido in sottili strati per mezzo di diaframmi conici sovrapposti, contro i quali si raccoglie e scorre il materiale più pesante separato. Una tale macchina, nella sua forma attuale, dopo un lungo processo di perfezionamento, è riprodotta nella fig. 6, nella quale sono visibili i dispositivi per lo scarico dei prodotti. Sono macchine usate per la lavorazione del latte, degli olî lubrificanti, come trasformatori, ecc. Il numero di giri è generalmente intorno a 6000-7000. Talvolta sono precedute da macchine del tipo sopra descritto che separano la massima parte della materia solida; funzionano allora da chiarificatori. Vi sono poi centrifughe ultraveloci (Sharples) di cui è dato un modello nella fig. 7; la loro caratteristica è di avere un recipiente rotante di diametro assai piccolo (al massimo 11 cm.) e di lunghezza relativamente notevole (fino a 80 cm.) e un numero di giri altissimo (da 16.000 a 40.000); il recipiente è sospeso dall'alto a un albero flessibile ed è semplicemente guidato alla parte inferiore da uno speciale supporto, attraverso il quale è fatta l'alimentazione del liquido da trattare. Dato l'enorme effetto centrifugo ottenibile, queste macchine sono ad alta produzione e sono adatte al trattamento di materiali di difficile separazione per altra via. Naturalmente la loro capacità in solidi è assai limitata.
Bibl.: E. Alliot, Centrifugal Dryers and Separators, Londra 1926; F. Ullmann, Enzyklopädie der technischen Chemie, XII, 1923, p. 143; B. Block, Die sieblose Schleuder, Lipsia 1921.