ITRE20110047A1 - "metodo di filtrazione e relativo apparato" - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“METODO DI FILTRAZIONE E RELATIVO APPARATOâ€

La presente invenzione riguarda un metodo di filtrazione, in particolare un metodo di filtrazione di un fluido alimentare.

La filtrazione à ̈ una operazione unitaria di separazione solido/fluido molto diffusa, che permette di separare una fase solida dispersa da una fase fluida disperdente. La filtrazione à ̈ normalmente eseguita facendo passare il fluido da filtrare attraverso un elemento filtrante poroso, il quale à ̈ in grado di trattenere la fase solida e di lasciare fluire la fase fluida.

Attualmente esistono svariate tipologie di elementi filtranti, i quali possono essere descritti o classificati in base al meccanismo di filtrazione che attuano. In questo senso, Ã ̈ possibile distinguere due principali tipologie di meccanismi di filtrazione:

ad esclusione o di superficie, quando la fase solida viene trattenuta sulla superficie dell’elemento filtrante a causa della propria geometria e delle proprie dimensioni, ovvero non riesce a attraversare l’elemento filtrante;

di profondità, quando la ritenzione della fase solida à ̈ compiuta per intrappolamento, ad esempio meccanico, idrodinamico, chimico o di altra natura, all’interno dell’elemento filtrante.

In campo alimentare, e più specificatamente nel campo delle bevande, la filtrazione di superficie à ̈ quella più diffusa, ma in alcuni casi si ricorre ad una tipologia di filtrazione che può essere assimilata a quella di profondità.

Nel caso della filtrazione di superficie, i solidi dispersi si depositano esclusivamente o quasi sulla superficie dell’elemento filtrante che à ̈ posta sul lato direttamente esposto al fluido da filtrare, convenzionalmente chiamato lato torbida, formando progressivamente su detta superficie uno strato di particelle solide, convenzionalmente chiamato pannello solido.

La filtrazione di superficie à ̈ la metodologia preferita quando la fase solida dispersa tende a formare un pannello solido che risulta rigido e permeabile alla fase fluida (cake filtration). Questo à ̈ il caso ad esempio della filtrazione dei cristalli di tartrato dei vini refrigerati. Se la fase solida dispersa tende invece a formare un pannello solido compressibile e poco permeabile alla fase fluida, come nel caso delle cosiddette dispersioni colloidali, si ricorre alla filtrazione di superficie solo se il contenuto in solidi à ̈ relativamente basso, tipicamente inferiore all’1% del peso complessivo della fase fluida.

Nel caso della filtrazione di profondità, i solidi dispersi sono prevalentemente trattenuti all’interno dell’elemento filtrante, ovvero nello spessore dell’elemento filtrante che à ̈ interposto tra la superficie esposta al fluido da filtrare e la superficie esposta al fluido già filtrato.

Nell’ambito della filtrazione di profondità si riconoscono quattro principali meccanismi di ritenzione: per intercettazione diretta e impatto inerziale, per diffusione, per interazione (ad esempio per interazione elettrostatica), e per gravimetria. In termini generali, a parità di condizioni fluidodinamiche, nella filtrazione di profondità le particelle più grandi sono normalmente trattenute con meccanismi di impatto inerziale o di intercettazione, mentre le particelle più piccole sono trattenute per diffusione o per interazione elettrostatica. Le particelle di dimensioni intermedie sono trattenute con una combinazione dei meccanismi sopraccitati.

In campo industriale, la filtrazione viene eseguita mediante un impianto che comprende generalmente una pompa atta a prelevare il fluido da filtrare da un serbatoio e ad alimentarlo all’interno di un dispositivo filtrante, il quale comprende un involucro ed almeno un elemento filtrante atto a suddividere il volume interno dell’involucro in una prima camera comunicante con un ingresso del fluido da filtrare ed una seconda camera comunicante con una uscita del fluido filtrato, la quale à ̈ a sua volta collegata con un serbatoio di raccolta del fluido stesso.

Questo tipo di filtrazione può generalmente essere eseguita secondo due differenti modalità operative: a pressione differenziale costante o a portata costante.

La filtrazione a pressione differenziale costante prevede che la differenza tra la pressione del fluido da filtrare a monte dell’elemento filtrante e la pressione del fluido filtrato a valle dell’elemento filtrante rimanga costante durante la filtrazione.

Questa modalità operativa può essere eseguita monitorando, tramite appositi sensori di pressione, la pressione a monte e a valle dell’elemento filtrante, e regolando in retroazione la pompa, in modo che la differenza tra i suddetti valori di pressione monitorati rimanga uguale ad un valore impostato.

La filtrazione a portata costante prevede che la portata del fluido che attraversa l’elemento filtrante sia costante durante la filtrazione. Se la pompa à ̈ di tipo volumetrico, questa modalità operativa può essere effettuata semplicemente impostando una velocità costante della pompa. Altrimenti, può essere effettuata monitorando, tramite un apposito sensore di portata, la portata di fluido che attraversa l’elemento filtrante, e regolando in retroazione la pompa, in modo che il valore della portata monitorata rimanga uguale ad un valore impostato.

Per quanto à ̈ stato spiegato in precedenza, a mano a mano che la filtrazione procede, l’elemento filtrante accumula progressivamente la fase solida dispersa nella fluido da filtrare, sino a raggiungere un grado di intasamento che non permette alla filtrazione di continuare, o perché la portata del fluido in uscita diventa troppo bassa e quindi i tempi di filtrazione troppo lunghi, o perché la pressione differenziale diventa talmente elevata da causare danni all’elemento filtrante.

In questi casi, la filtrazione viene interrotta e l’impianto di filtrazione viene generalmente sottoposto ad una fase di lavaggio che prevede di azionare un fluido (eventualmente una parte del fluido precedentemente filtrato) ad attraversare l’elemento filtrante in controcorrente, in modo tale da distaccare e allontanare la fase solida accumulata, la quale viene poi eliminata attraverso l’apertura di opportuni condotti di scarico.

Uno dei problemi che si incontra quando si compie una filtrazione, sia che venga eseguita a pressione differenziale costante sia che venga eseguita a portata costante, à ̈ l’ottimizzazione dei parametri del processo, ossia la scelta del valore di pressione differenziale, o rispettivamente del valore di portata, da impostare per effettuare una filtrazione efficiente. Infatti, tali valori dipendono generalmente da molteplici fattori, tra cui in particolare le caratteristiche chimico-fisiche dell’elemento filtrante e quelle fluidodinamiche del fluido da filtrare.

Questa problematica à ̈ convenzionalmente affrontata tramite l’esecuzione di test empirici su piccola scala, ad esempio utilizzando un modello in scala ridotta dell’impianto di filtrazione, con cui si determinano i valori dei parametri di processo che verranno successivamente impostati e utilizzati nelle operazioni di filtrazione su scala industriale.

Questi test, che comunque richiedono un ingente investimento di risorse economiche e di tempo, spesso portano a valutazioni e a dimensionamenti errati o comunque non ottimali, perché in genere compiuti su aliquote di campioni che possono rilevarsi non rappresentativi del comportamento della quantità reale di fluido che deve essere filtrata su scala industriale.

Alla luce di queste considerazioni, uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un metodo di filtrazione che permetta di impostare e modulare i valori dei parametri di filtrazione, sulla base di dati rilevati nel corso della filtrazione stessa, in modo tale che tali valori risultino più attendibili di quelli ottenibili con i test empirici sopra menzionati.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di raggiungere il menzionato obiettivo nell’ambito di una soluzione semplice, razionale e dal costo contenuto.

Tali scopi sono raggiunti dalle caratteristiche dell’invenzione riportate nella rivendicazione indipendente 1. Le rivendicazioni dipendenti delineano aspetti preferiti e/o particolarmente vantaggiosi dell’invenzione.

L’invenzione trova fondamento nelle leggi fisiche che descrivono il moto dei fluidi attraverso un mezzo poroso, come ad esempio un elemento filtrante.

Una di queste leggi à ̈ la cosiddetta legge di Darcy, la quale mette in relazione la portata di filtrazione con la resistenza offerta dall’elemento filtrante, la viscosità del filtrato, la superficie di filtrazione e la differenza di pressione rilevata a monte e a valle del filtro. Una possibile formulazione della legge di Darcy à ̈ espressa dalla seguente equazione:

dV A⋅ ∆ p

=

dt η ⋅ R

Dove dV/dt à ̈ la portata di fluido che attraversa l’elemento filtrante, V à ̈ il volume di fluido che attraversa l’elemento

filtrante, t à ̈ il tempo, η à ̈ la viscosità del fluido che attraversa

l’elemento filtrante, A à ̈ la superficie di filtrazione dell’elemento

filtrante, R à ̈ la resistenza specifica dell’elemento filtrante, e ∆p

à ̈ la pressione differenziale applicata all’elemento filtrante, ovvero

la differenza tra la pressione del fluido a monte dell’elemento

filtrante e la pressione del fluido a valle dell’elemento filtrante.

Trattandosi di una filtrazione, l’equazione precedente può essere

modificata per tenere conto della resistenza Rd offerta dal

progressivo aumento della quantità di solidi che si depositano

sull’elemento filtrante, secondo l’equazione seguente:

dV A⋅ ∆ p

=

dt η⋅(R Rd )

ovvero:

dt η ⋅ R η ⋅ Rd

= .

dV A⋅ ∆ p A⋅ ∆ p

Nel caso usuale in cui l’elemento filtrante sia atto ad eseguire una

filtrazione di superficie, e nell’ipotesi che tutti i solidi del

fluido da filtrare vengano trattenuti dall’elemento filtrante, il

termine Rd può essere espresso dalla relazione:

Rd =V ⋅ c⋅ α

cosicché la relazione precedente diventa:

dt η ⋅ R η⋅ c ⋅ α

= â‹… V [1]

dV A⋅ ∆ p A⋅ ∆ p

dove α à ̈ la resistenza specifica offerta dai solidi depositati sull’elemento filtrante espressa per unità di massa di solido, e c à ̈

la concentrazione di solidi nel fluido da filtrare.

Nel caso che la filtrazione sia condotta a pressione differenziale

costante, il termine ∆p à ̈ una costante, cosicché l’equazione [1] può

essere approssimata all’equazione di una retta:

t

=c1â‹…V c 2 [2]

V

dove c1 e c2 sono due costanti che dipendono dalla superficie di

filtrazione, della viscosità e del contenuto in solidi dispersi nel

fluido, della resistenza specifica e della pressione differenziale

applicata al mezzo filtrante:

η⋅ c ⋅ α

c1=e

A⋅ ∆ p

<η>⋅ R

c2 = .

A⋅ ∆ p

Nel caso che la filtrazione sia condotta a portata costante, il

termine dV/dt = V/t = Q à ̈ una costante, cosicché l’equazione [1] può

essere riscritta in una delle seguenti forme:

∆p=k1⋅t k 2 [3]

o

∆p=k3⋅V k 4 [4]

dove k1, k2, k3, e k4 sono delle costanti:

η⋅ c⋅ α

k1= â‹…Q<2>

A

k2=<η ⋅ R>⋅ Q

A

η⋅ c⋅ α

k3 = â‹…Q

A

k4=<η ⋅ R>⋅ Q.

A

Le equazioni [3] e [4] sono generalmente valide a condizione che i solidi depositati sull’elemento filtrante siano incompressibili, cosicché l’incremento di resistenza alla filtrazione à ̈ linearmente proporzionale alla quantità di solidi depositati sulla superficie dell’elemento filtrante. Nella maggioranza dei casi, però, l’aumento della pressione differenziale tra monte e valle dell’elemento filtrante, comporta anche la compressione dei solidi depositati, effetto che produce a sua volta un ulteriore incremento di resistenza alla filtrazione. A differenza della filtrazione a pressione costante, quindi, l’incremento progressivo di resistenza alla filtrazione non dipende solo dalla quantità di solidi depositati ma anche dalla pressione assoluta cui sono soggetti. L’incremento della resistenza alla filtrazione dovuta alla “compressione†del pannello solido può essere espressa dalla seguente relazione:

α = α0⋅( ∆p)<n>,

dove l’esponente n à ̈ una costante che dipende dalle caratteristiche del solido trattenuto e accumulato sul filtro e che, solitamente, à ̈ determinato mediante prove empiriche di filtrazione.

Per variazioni di pressione differenziali relativamente contenute, possiamo riferirci a un valore medio di resistenza, che si calcola per integrazione, ed espresso come:

−

α =α0⋅(1−n )⋅ ∆p<n>

sostituendo tale relazione all’equazione [1], considerando che anche il termine α0à ̈ una costante, nel senso che non dipende dalla pressione ma dalle caratteristiche dei solidi dispersi e trattenuti dal mezzo filtrante, raggruppando le costanti e passando ai logaritmi, le equazioni [3] e [4] possono essere riscritte rispettivamente nella forma seguente:

ln(t)= k5⋅ln(∆p) − k 6 [5]

e

ln(V)=k7⋅ln(∆p) − k 8 [6]

dove k5, k6, k7, e k8 sono delle costanti:

k5= 1 − n

 η ⋅ c

k<6>=<ln>ï£ ̄α 0â‹… â‹… (<1>−<n>) â‹…<Q>2

A 



k7= 1 − n

 η â‹…<c>k8=ln(1ï£ ̄ α0â‹… â‹… −n 

) â‹… Q

A.

 

Sulla scorta delle considerazioni precedenti, l’invenzione rende disponibile un metodo di filtrazione di un fluido, principalmente di un fluido alimentare, il quale comprende la fase di azionare il fluido ad attraversare almeno un elemento filtrante in modo da eseguire una filtrazione e, durante detta filtrazione, di eseguire un ciclo di controllo comprendente le seguenti fasi di:

- monitorare il valore di un primo e di un secondo parametro di processo della filtrazione scelti tra: tempo trascorso dall’inizio di detto ciclo di controllo, quantità di fluido che ha attraversato l’elemento filtrante dall’inizio di detto ciclo di controllo, e pressione differenziale ai capi dell’elemento filtrante, ovvero la differenza tra la pressione del fluido a monte dell’elemento filtrante e la pressione del fluido a valle dell’elemento filtrante, - utilizzare i valori monitorati di detti primo e secondo parametro di processo, per determinare i coefficienti di una funzione di correlazione, preferibilmente continua, che pone in relazione univoca i medesimi primo e secondo parametro di processo, ad esempio una funzione di correlazione basata sulla legge di Darcy precedentemente descritta,

- scegliere uno tra detti primo e secondo parametro di processo come parametro di riferimento, e l’altro come parametro di controllo, - settare un valore desiderato del parametro di riferimento, ad esempio un valore di detto parametro di riferimento che si desidera raggiungere al termine della filtrazione,

- applicare alla funzione di correlazione detto valore desiderato ed i coefficienti precedentemente determinati, per stimare un corrispondente valore del parametro di controllo, il quale rappresenterà quindi il valore del parametro di controllo che à ̈ atteso al termine della filtrazione.

Questo ciclo di controllo può essere eseguito in entrambe le modalità di filtrazione: a pressione differenziale costante o a portata costante.

La prima modalità prevede di controllare l’azionamento del fluido da filtrare in modo che la pressione differenziale ai capi dell’elemento filtrante, durante il ciclo di controllo, sia costantemente pari (o quasi) ad un valore prefissato.

La seconda modalità prevede invece di controllare l’azionamento del fluido da filtrare in modo che la portata di fluido che attraversa l’elemento filtrante, durante il ciclo di controllo, sia costantemente pari (o quasi) ad un valore prefissato.

Nell’ambito di una filtrazione a pressione differenziale costante, la funzione continua utilizzata nel ciclo di controllo può essere espressa ad esempio dalla precedente equazione [2]. In questo caso, il primo parametro di processo può essere il tempo t trascorso dall’inizio del ciclo di controllo, il secondo parametro di processo può essere la quantità V (espressa in volume) di fluido che ha attraversato l’elemento filtrante dall’inizio del ciclo di controllo. I coefficienti da determinare possono essere c1 e c2.

I coefficienti possono essere determinati semplicemente mediante le fasi di:

- rilevare, durante la filtrazione nel corso del ciclo di controllo, almeno due coppie di valori corrispondenti (t, V) del primo e del secondo parametro di processo,

- applicare tali coppie di valori corrispondenti alla funzione di correlazione [2], in modo da ottenere due equazioni aventi per incognite i suddetti coefficienti, e quindi

- mettere a sistema tali equazioni per determinare i valori dei coefficienti.

Un aspetto preferito dell’invenzione prevede tuttavia di:

- rilevare più di due coppie di valori corrispondenti del primo e secondo parametro di processo, preferibilmente almeno quattro o cinque coppie,

- applicare tali coppie di valori corrispondenti alla funzione di correlazione, in modo da ottenere altrettante equazioni aventi per incognite i suddetti coefficienti,

- mettere a sistema tali equazioni a due a due per determinare una pluralità di valori indicativi dei coefficienti, e

- calcolare ciascun coefficiente come una media dei relativi valori indicativi.

Dopo che questi coefficienti della funzione di correlazione [2] sono stati determinati, à ̈ possibile scegliere la quantità di fluido come parametro di riferimento e il tempo come parametro di controllo, o viceversa. Nel primo caso, à ̈ quindi possibile settare un valore desiderato del la quantità di fluido che deve essere stato filtrato al termine della filtrazione, ed ottenere dalla funzione [2] un valore atteso della durata della filtrazione per raggiungere tale quantità desiderata di fluido filtrato. Nel secondo caso, à ̈ invece possibile settare un valore desiderato della durata della filtrazione, ed ottenere dalla funzione [2] un valore atteso della quantità totale di fluido filtrato al termine della filtrazione.

Rimanendo nell’ambito di una filtrazione a pressione differenziale costante, un aspetto dell’invenzione prevede di:

- ripetere più volte il suddetto ciclo di controllo, ogni volta utilizzando un diverso prefissato valore della pressione differenziale,

- selezionare come valore ottimale, tra i valori di pressione differenziale utilizzati durante i vari cicli di controllo, quello per cui il valore atteso del parametro di controllo à ̈ indicativo di una portata media più elevata, e

- proseguire la filtrazione, controllando l’azionamento del fluido in modo da mantenere una pressione differenziale costante e sostanzialmente pari al valore ottimale selezionato.

Dopo aver determinato il valore ottimale della pressione differenziale, un altro spetto dell’invenzione prevede la possibilità di utilizzare i coefficienti della funzione di correlazione, determinati durante il ciclo di controllo effettuato col valore ottimale della pressione differenziale, per determinare un numero ottimale di fasi di lavaggio da effettuare durante la filtrazione, e quindi di proseguire la filtrazione effettuando un numero di fasi intermedie di lavaggio pari al numero ottimale così determinato.

In particolare, la determinazione del numero ottimale di fasi di lavaggio può essere effettuata mediante le fasi di:

- eseguire un ciclo di calcolo che prevede di:

- impostare un numero ipotetico di fasi di lavaggio, preferibilmente a partire da zero,

- calcolare un valore parziale della quantità (tipicamente espressa in volume) di fluido da filtrare in base ad un valore totale della quantità di fluido che deve essere stato filtrato al termine della filtrazione ed il numero ipotetico di fasi di lavaggio, ad esempio dividendo detto volume totale per il numero ipotetico di lavaggi incrementato di uno, ovvero per il numero di fasi parziali di filtrazione che si ipotizza di effettuare tra le fasi di lavaggio, - utilizzare la funzione di correlazione, i relativi coefficienti determinati per il valore ottimale della pressione differenziale e il valore parziale della quantità di fluido da filtrare, per stimare un valore parziale di un tempo di filtrazione, il quale cioà ̈ corrisponderà ad una durata prevista di ciascuna fase parziale di filtrazione,

- calcolare un valore totale del tempo di filtrazione sulla base di detto valore parziale, del numero ipotetico di fasi di lavaggio e di un valore predeterminato della durata di ciascuna di dette fasi di lavaggio,

- ripetere il ciclo di calcolo, incrementando ogni volta il numero ipotetico di fasi di lavaggio (preferibilmente di una unità alla volta), fino a quando il tempo totale di filtrazione determinato con l’ultimo ciclo di calcolo risulta superiore a quello determinato con il ciclo di calcolo precedente o fino a quando il numero ipotetico di fasi di lavaggio à ̈ uguale ad un numero massimo ammissibile, quindi - settare come numero ottimale di fasi di lavaggio quello impostato per detto ciclo di calcolo precedente o, rispettivamente,

- settare come numero ottimale di fasi di lavaggio il numero massimo ammissibile.

Nell’ambito di una filtrazione a portata costante, la funzione continua utilizzata nel ciclo di controllo può essere invece espressa ad esempio da una delle equazioni [3], [4], [5] o [6] precedentemente descritte. In questo caso, il primo parametro di processo può dunque essere la pressione differenziale ∆p, mentre il secondo parametro di processo può essere scelto tra: il tempo t trascorso dall’inizio del ciclo di controllo e la quantità V (espressa in volume) di fluido alimentare che ha attraversato l’elemento filtrante dall’inizio del ciclo di controllo. I coefficienti da determinare possono essere rispettivamente k1 e k2, k3 e k4, k5 e k6 oppure k7 e k8.

Anche in questo caso, i coefficienti possono essere determinati semplicemente mediante le fasi di:

- rilevare, durante la filtrazione nel corso del ciclo di controllo, almeno due coppie di valori corrispondenti, ad esempio (∆p, V) del primo e del secondo parametro di processo,

- applicare tali coppie di valori corrispondenti alla funzione di correlazione, in modo da ottenere due equazioni aventi per incognite i suddetti coefficienti, e quindi

- mettere a sistema tali equazioni per determinare i valori dei coefficienti.

Un aspetto preferito dell’invenzione prevede tuttavia, anche in questo caso, di:

- rilevare più di due coppie di valori corrispondenti del primo e secondo parametro di processo, preferibilmente almeno quattro o cinque coppie,

- applicare tali coppie di valori corrispondenti alla funzione di correlazione, in modo da ottenere altrettante equazioni aventi per incognite i suddetti coefficienti,

- mettere a sistema tali equazioni a due a due per determinare una pluralità di valori indicativi dei coefficienti, e

- calcolare ciascun coefficiente come una media dei relativi valori indicativi.

Dopo che i coefficienti sono stati determinati, à ̈ possibile scegliere la portata differenziale come parametro di riferimento e il tempo o la quantità di fluido come parametro di controllo. In questo modo, à ̈ quindi possibile settare un valore massimo desiderato della pressione differenziale da raggiungere al termine della filtrazione, ed ottenere tramite la funzione di correlazione un valore atteso della durata della filtrazione o un valore atteso della quantità totale di fluido filtrato, prima di raggiungere la pressione differenziale desiderata.

Anche in questo caso, un aspetto dell’invenzione prevede di:

- ripetere più volte il suddetto ciclo di controllo, ogni volta utilizzando un diverso prefissato valore della portata,

- selezionare come valore ottimale, tra i valori di portata utilizzati durante i vari cicli di controllo, quello per cui il valore atteso del parametro di controllo à ̈ indicativo di una quantità totale di fluido filtrato più elevata,

- proseguire la filtrazione, controllando l’azionamento del fluido in modo da mantenere una portata costante e sostanzialmente pari al valore ottimale selezionato.

Dopo aver determinato il valore ottimale della portata à ̈ possibile, anche in questo caso, utilizzare i coefficienti della funzione di correlazione determinati durante il ciclo di controllo effettuato con il valore ottimale della portata, per determinare un numero ottimale di fasi di lavaggio da effettuare durante la filtrazione, e quindi di proseguire la filtrazione effettuando un numero di fasi intermedie di lavaggio pari al numero ottimale così determinato.

In particolare, la determinazione del numero ottimale di fasi di lavaggio viene preferibilmente effettuata mediante le fasi di:

- eseguire un ciclo di calcolo che prevede di:

- impostare un numero ipotetico di fasi di lavaggio, preferibilmente a partire da zero,

- calcolare un valore parziale della quantità (tipicamente espressa in volume) di fluido da filtrare in base ad un valore totale della quantità di fluido che deve essere stato filtrato al termine della filtrazione ed il numero ipotetico di lavaggi, ad esempio dividendo detto volume totale per il numero ipotetico di lavaggi incrementato di uno, ovvero per il numero di fasi parziali di filtrazione che si ipotizza di effettuare tra le fasi di lavaggio, - utilizzare la funzione di correlazione, i coefficienti determinati per il valore ottimale della portata ed il valore parziale della quantità di fluido da filtrare, per stimare un corrispondente valore parziale di un tempo di filtrazione, il quale cioà ̈ corrisponderà ad una durata prevista di ciascuna fase parziale di filtrazione,

- calcolare un valore totale del tempo di filtrazione sulla base di detto valore parziale, del numero ipotetico di fasi di lavaggio e di un valore predeterminato della durata di ciascuna di dette fasi di lavaggio,

- ripetere il ciclo di calcolo, incrementando ogni volta il numero ipotetico di fasi di lavaggio (preferibilmente di una unità alla volta), fino a quando il tempo totale di filtrazione determinato con l’ultimo ciclo di calcolo risulta uguale o superiore a quello determinato con il ciclo di calcolo precedente o fino a quando il numero ipotetico di fasi di lavaggio à ̈ uguale ad un numero massimo ammissibile, quindi

- settare come numero ottimale di fasi di lavaggio quello impostato per detto ciclo di calcolo precedente o, rispettivamente,

- settare come numero ottimale di fasi di lavaggio il numero massimo ammissibile.

Si desidera qui precisare che le equazioni [2], [3], [4], [5] e [6] potrebbero essere opportunamente modificate per tenere conto di altri fattori che possono intervenire durante la filtrazione. Si tratta tuttavia di modifiche scientifico-matematiche che non hanno influenza sugli aspetti tecnici del ciclo di controllo e che quindi si ritengono comprese nella presente invenzione. Allo stesso modo, per quanto attiene la presente invenzione, la funzione di correlazione utilizzata nel ciclo di controllo potrebbe non essere basata sulla legge di Darcy, ma su un’altra legge che descriva il fenomeno fisico di un fluido che attraversa un elemento poroso.

Il metodo di filtrazione secondo la presente invenzione può essere eseguito con l’ausilio di un programma per elaboratore (software) comprendente un codice informatico per eseguire tutte le fasi del metodo descritte in precedenza, ed eventualmente può essere attuato sotto forma di un prodotto informatico comprendente il suddetto programma per elaboratore.

La presente invenzione rende infine disponibile un apparato di filtrazione per un fluido, tipicamente un fluido alimentare, comprendente un involucro avente un ingresso ed un’uscita, almeno un elemento filtrante posto a suddividere il volume interno dell’involucro in una prima camera comunicante con l’ingresso ed una seconda camera comunicante con l’uscita, primi mezzi di misura per monitorare un tempo trascorso, secondi mezzi di misura per monitorare una quantità di fluido che attraversa l’elemento filtrante, terzi mezzi di misura per monitorare una differenza tra la pressione del fluido all’ingresso e la pressione del fluido all’uscita, ed un dispositivo di controllo configurato per eseguire un metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti.

Ad esempio, il sistema di controllo può comprendere una unità di elaborazione, ad esempio un microprocessore, una unità di memorizzazione dati collegata a detta unità di elaborazione, ed il programma per elaboratore menzionato in precedenza, il quale à ̈ memorizzato nell’unità di memorizzazione, in modo che quando l’unità di elaborazione esegue il programma per elaboratore, tutte le fasi del metodo di filtrazione vengono eseguite.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti dalla lettura della descrizione seguente fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle figure illustrate nelle tavole allegate.

La figura 1 Ã ̈ uno schema di un apparato di filtrazione secondo la presente invenzione.

In figura 1 Ã ̈ schematicamente illustrato un apparato di filtrazione 10 per un fluido alimentare, tipicamente per vini o altri fluidi enologici di varia natura.

L’apparato di filtrazione 10 comprende principalmente un dispositivo filtrante o filtro 11, il quale comprende in particolare un involucro 12 contenente una pluralità di elementi o cartucce filtranti 13. L’involucro 12 à ̈ associato ad un condotto di ingresso 14 del fluido da filtrare ed un condotto di uscita 15 del fluido filtrato. Il condotto di ingresso 14 à ̈ atto ad essere collegato con un serbatoio di stoccaggio 16 del fluido da filtrare, mentre il condotto di uscita 15 à ̈ atto ad essere collegato con un serbatoio 17 di raccolta del fluido filtrato.

Nell’esempio illustrato, l’involucro 12 à ̈ formato da una campana superiore 120 chiusa sul fondo da una base inferiore 121. Gli elementi filtranti 13 sono singolarmente conformati come corpi tubolari, internamente cavi, posti in verticale ed aventi un’estremità superiore chiusa ed un’estremità inferiore aperta. L’estremità inferiore di ciascun elemento filtrante 13 à ̈ appoggiata e chiusa dalla base inferiore 121, la quale comprende a sua volta una pluralità di aperture (non illustrate) che sono singolarmente atte a porre in comunicazione la cavità interna di un rispettivo elemento filtrante 13 con il condotto di uscita 15.

In questo modo, gli elementi filtranti 13 sono atti a suddividere il volume interno dell’involucro 12 in due distinte camere, di cui una prima camera 18, definita tra la superficie esterna degli elementi filtranti 13 e la superficie interna della campana 120, che à ̈ posta in comunicazione diretta con il condotto di ingresso 14, ed una seconda camera 19, definita dalle cavità interne degli elementi filtranti 13, che à ̈ posta in comunicazione diretta con il condotto di uscita 15.

Gli elementi filtranti 13 possono essere di svariate tipologie e materiali, ad esempio cartucce in polimero, in ceramica, in materiali sinterizzati, elementi lenticolari, ecc..

Lungo il condotto di ingresso 14 à ̈ collocata una pompa di alimentazione 20, la quale à ̈ atta a pompare il fluido da filtrare dal serbatoio di stoccaggio 16 verso il dispositivo filtrante 11. In questo modo, il fluido da filtrare à ̈ normalmente costretto ad attraversare gli elementi filtranti 13 del dispositivo filtrante 11, i quali trattengono la fase solida in esso dispersa, lasciando passare la fase liquida disperdente, ovvero sottoponendo il fluido ad una operazione di filtrazione. La pompa di alimentazione 20 può essere una pompa autoadescante e operante a basso numero di giri, tipicamente compreso tra 200 e 900 giri/minuto.

Tra la pompa di alimentazione 20 ed il dispositivo filtrante 11, il condotto di ingresso 14 comprende un prefiltro 21, la cui funzione à ̈ quella di operare una prima filtrazione grossolana del fluido da filtrare, in modo da trattenere le particelle solide più grosse che, altrimenti, potrebbero danneggiare o intasare gli elementi filtranti 13 troppo rapidamente. Il prefiltro 21 può essere un filtro a sacco con grado di filtrazione compreso tra 20 e 200 micron.

L’apparato di filtrazione 10 comprende almeno due trasduttori di pressione, di cui un primo trasduttore di pressione 22 posizionato sul condotto di ingresso 14 a valle del prefiltro 21, ed un secondo trasduttore di pressione 23 posizionato sul condotto di uscita 15. Questi trasduttori di pressione 22 e 23 sono atti a misurare rispettivamente la pressione del fluido da filtrare a monte del dispositivo filtrante 11 e la pressione del fluido filtrato a valle dello stesso. I trasduttori di pressione 22 e 23 sono collegati con un controllore logico di processo (PLC) 60, il quale comprende schematicamente almeno un’unità di elaborazione 600, tipicamente un microprocessore, ed un’unità di memorizzazione dati 601 connessa con l’unità di elaborazione 600. Il PLC 60 à ̈ atto ad utilizzare le misure fornite dai trasduttori di pressione 22 e 23, per calcolare un valore della pressione differenziale ai capi del dispositivo filtrante 11, ovvero un valore della differenza di pressione tra monte e valle degli elementi filtranti 13. Per una misura più accurata della pressione a monte e a valle del dispositivo filtrante 11, e in particolare per un calcolo più accurato della relativa differenza di pressione, i trasduttori di pressione 22 e 23 devono essere preferibilmente posti ad una stessa quota dal suolo. In caso contrario, il PLC 60 dovrà tenere conto della pressione esercitata dalla colonna di fluido che colma il dislivello di quota tra i due trasduttori di pressione 22 e 23. Tali trasduttori 22 e 23 devono preferibilmente avere una sensibilità minima di 0.01 bar.

Il PLC 60 à ̈ collegato anche con un misuratore di portata 24, il quale à ̈ collocato sul condotto di uscita 15 in modo da misurare la portata di fluido filtrato che fluisce verso il serbatoio di raccolta 17. Tale misuratore di portata 24 à ̈ dotato di trasmettitore analogico e ad impulsi che consente al PLC 60 di rilevare sia un valore di portata istantanea di fluido filtrato sia un valore cumulativo della quantità (tipicamente espressa in volume) di fluido che à ̈ stata globalmente filtrata a partire da un prefissato istante iniziale.

Grazie all’ausilio dei summenzionati trasduttori di pressione 22 e 23 e del misuratore di portata 24, il PLC 60 à ̈ programmata in modo da controllare il funzionamento della pompa di alimentazione 20, affinché la filtrazione possa avvenire in modalità a pressione differenziale costante o alternativamente in modalità a portata costante.

La prima modalità può prevedere che, durante la filtrazione, il PLC 60 monitori il valore della pressione differenziale ai capi del dispositivo filtrante 11, mediante i trasduttori di pressione 22 e 23; che calcoli la differenza o errore tra il valore monitorato ed un predeterminato valore richiesto della pressione differenziale; e che regoli in retroazione la velocità della pompa di alimentazione 20 in modo da minimizzare detto errore.

La seconda modalità può analogamente prevedere che, durante la filtrazione, il PLC 60 monitori il valore della portata istantanea di fluido filtrato a valle del dispositivo filtrante 11, mediante il misuratore di portata 24; che calcoli la differenza o errore tra il valore monitorato ed un predeterminato valore richiesto di tale portata; e che regoli in retroazione la velocità della pompa di alimentazione 20, in modo da minimizzare detto errore. Nel caso in cui la pompa di alimentazione 20 sia una pompa volumetrica, tale che la sua velocità à ̈ strettamente proporzionale alla portata erogata, la seconda modalità potrebbe essere eseguita anche con un ciclo di controllo in catena aperta, ovvero il PLC 60 potrebbe semplicemente azionare la pompa di alimentazione 20 alla velocità corrispondente al valore richiesto della portata.

Nell’esempio qui illustrato, l’apparato di filtrazione 10 comprende un sistema di lavaggio degli elementi filtranti 13, il quale comprende un serbatoio 25 in cui confluiscono quattro condotti di ingresso 26 dotati di rispettive valvole di intercettazione 27, di cui un primo condotto atto ad essere collegato con una sorgente di acqua fredda, un secondo condotto atto ad essere collegato con una sorgente di acqua calda, e due ulteriori condotti atti ad essere collegati, tramite rispettive pompe 28, ad altrettanti serbatoi 29 di un opportuno detergente. Le valvole di intercettazione 27 e le pompe 28 sono asservite al PLC 60, la quale à ̈ programmato per formare all’interno del serbatoio 25 una opportuna miscela di lavaggio. Il serbatoio 25 à ̈ provvisto di un condotto di uscita 30 che à ̈ dotato di una valvola di intercettazione 31 ed à ̈ collegato con il condotto di ingresso 14 a monte della pompa di alimentazione 20. Il sistema di lavaggio comprende inoltre un primo condotto di bypass 32 atto a collegare il condotto di ingresso 14 a valle del prefiltro 21 con il condotto di uscita 15, e tre valvole di intercettazione 33, 34 e 35, posizionate rispettivamente su detto primo condotto di bypass 32, sul condotto di ingresso 14 a monte del punto di innesto del primo condotto di bypass 32, e sul condotto di uscita 15 a monte del punto di innesto del primo condotto di bypass 32. Il sistema di lavaggio comprende anche un secondo condotto di bypass 36 che collega un punto del condotto di ingresso 14 a monte della valvola 34 con un punto del condotto di uscita 15 a monte della valvola 35, ed una valvola di intercettazione 37 posizionata lungo detto secondo condotto di bypass 36.

Per eseguire il lavaggio degli elementi filtranti 13, il PLC 60 chiude la comunicazione tra il condotto di ingresso 14 ed il serbatoio di stoccaggio 16 del fluido da filtrare, mantiene in funzione la pompa di alimentazione 20 sino a svuotare il condotto di uscita 15 del fluido filtrato, ed infine mette in comunicazione il condotto di uscita 15 con uno scarico. A questo punto, il PLC 60 apre la valvola 31 ed attiva nuovamente la pompa di alimentazione 20, in modo da alimentare il fluido di lavaggio verso il dispositivo filtrante 11. Comandando opportunamente le valvole di intercettazione 33-35 e 37, il PLC 60 può far fluire il fluido di lavaggio attraverso gli elementi filtranti 13 sia in equicorrente rispetto al fluido da filtrare, ossia nello stesso verso in cui avviene la filtrazione (valvole 34 e 35 aperte; valvole 33 e 37 chiuse), o in controcorrente rispetto al fluido da filtrare (valvole 34 e 35 chiuse; valvole 33 e 37 aperte). In quest’ultimo caso, il fluido di lavaggio proveniente dalla pompa di alimentazione 20 percorre dapprima il secondo condotto di bypass 36, rientra nel dispositivo filtrante 11 in controcorrente, passa nel primo condotto di bypass e ritorna infine nel condotto di uscita 15. Il pannello solido che si forma sulla superficie lato torbida degli elementi filtranti 13 viene quindi distaccato e scaricato fuori dal dispositivo filtrante 11 attraverso il condotto di uscita 15 verso lo scarico. Terminata la fase di lavaggio, il PLC 60 riporta l’apparato di filtrazione 10 nella configurazione in cui à ̈ atto a filtrare il fluido contenuto nel serbatoio di stoccaggio 16, come descritto in precedenza.

In questo contesto, quando l’apparato di filtrazione 10 sopra descritta viene utilizzata per effettuare una filtrazione, il PLC 60 à ̈ programmato per eseguire il metodo di controllo della filtrazione descritto nel seguito.

Tale metodo di controllo prevede inizialmente che il PLC 60 acquisisca se detta filtrazione deve essere eseguita in modalità a pressione differenziale costante o in modalità a portata costante.

Tale informazione può essere fornita direttamente da un operatore, ad esempio tramite un sistema di interfaccia (come una pulsantiera, un monitor touchscreen o altri) collegato con il PLC 60.

Nel caso in cui la filtrazione debba essere eseguita in modalità a pressione differenziale costante, il metodo di controllo prevede che il PLC 60 acquisisca inoltre:

- un valore totale V_tot del volume di fluido che dovrà essere stato filtrato al termine della filtrazione,

- un valore minimo ammissibile Q_min della portata di fluido che attraversa il dispositivo filtrante 11,

- un valore minimo ammissibile ∆p_min della pressione differenziale ai capi del dispositivo filtrante 11,

- un valore massimo ammissibile ∆p_max della pressione differenziale ai capi del dispositivo filtrante 11,

- un numero massimo ammissibile N_max del numero di fasi di lavaggio che possono essere eseguite durante la filtrazione,

- un valore previsto t_lav della durata di ciascuna di queste fasi di lavaggio.

Anche questi valori possono essere forniti direttamente dall’operatore, ad esempio tramite il già citato sistema di interfaccia collegato con il PLC 60.

A questo punto, il PLC 60 avvia la pompa di alimentazione 20 in modo da dare inizio alla filtrazione. Durante questa filtrazione, il PLC 60 Ã ̈ in grado di monitorare in continuo:

- il valore attuale della pressione differenziale ai capi del dispositivo filtrante 11,

- il valore attuale della portata di fluido che attraversa il dispositivo filtrante 11,

- il valore attuale del volume cumulativo di fluido che à ̈ stato filtrato.

Il valore attuale della pressione differenziale può essere calcolato mediante i trasduttori di pressione 22 e 23, mentre i valori attuali della portata istantanea e del volume cumulativo possono essere determinati mediante il misuratore di portata 24.

Subito dopo l’inizio della filtrazione, il PLC 60 esegue un ciclo di controllo della filtrazione che prevede innanzitutto di controllare il funzionamento (la velocità) della pompa di alimentazione 20, affinché la filtrazione, durante tutto il ciclo di controllo, venga condotta a una prefissata pressione differenziale costante, il cui valore può essere genericamente indicato come ∆p.

A partire dall’inizio del ciclo di controllo, il PLC 60 monitora di continuo:

- il tempo t trascorso dall’inizio del ciclo di controllo, ad esempio mediante un timer, e

- il valore V del volume cumulativo di fluido che à ̈ stato filtrato dall’inizio del ciclo di controllo.

Dopo aver atteso un intervallo di tempo necessario alla stabilizzazione del sistema (impostabile dall’operatore), il PLC 60 acquisisce almeno quattro o cinque coppie di valori dei parametri sopra menzionati, genericamente indicate come (tj, Vj), relative ad istanti j successivi nel corso del ciclo di controllo. In altre parole, il termine tjà ̈ il tempo che, al generico istante j, à ̈ trascorso dall’inizio del ciclo di controllo, mentre il termine Vjà ̈ volume cumulativo di fluido che, al medesimo istante j, à ̈ stato filtrato dall’inizio del ciclo di controllo. Per ottenere ciascuna coppia di valori, il PLC 60 può acquisire il tempo tjnecessario a filtrare con una pressione differenziale costante pari a ∆p, un prefissato volume Vjdi fluido o, viceversa, può acquisire il volume Vjdi fluido che à ̈ stato filtrato dopo un predefinito intervallo di tempo tjdall’inizio del ciclo di controllo.

Ogni coppia di valori (tj, Vj) viene quindi applicata alla equazione [2] descritta in premessa, ottenendo:

t<j>=c1â‹…V j c 2

V j

in cui le uniche incognite sono i coefficienti c1 e c2.

Le equazioni ottenute per ciascuna coppia di valori (tj, Vj) vengono messe a sistema a due a due, in modo da calcolare n (enne) coppie di valori (c1m, c2m) dei coefficienti incogniti. Mediante queste coppie di valori, il PLC 60 calcola i valori definitivi dei coefficienti incogniti dell’equazione [2] attraverso le medie seguenti:

n

∑ c 1<m>

c 1 = m= 1

n

n

∑ c 2<m>

c 2 = m= 1

.

n

A questo punto, il PLC 60 applica all’equazione [2] i coefficienti c1 e c2 ottenuti con le medie precedenti, ed il valore V_tot del volume di fluido che dovrà essere stato filtrato al termine della filtrazione, in modo da calcolare un valore atteso t_prev della durata totale che la filtrazione avrebbe, qualora si mantenesse una pressione differenziale costante pari a quella ∆p utilizzata nel ciclo di controllo.

Conoscendo il valore atteso t_prev della durata totale della filtrazione, il PLC 60 calcola anche un valore atteso Q_prev della portata media di fluido filtrato, con la seguente equazione:

Q _ prev =<V>_<tot>.

t _ prev

Infine, il PLC 60 utilizza i coefficienti c1 e c2 calcolati con le medie precedenti, ed il valore Q_min della portata minima, per calcolare un valore V_max del volume cumulativo di fluido filtrato, utilizzando l’equazione seguente:

1

=c1â‹…V _max c 2.

Q_ min

Quest’ultima equazione discende direttamente dalla equazione [2], ed il valore V_max così ottenuto rappresenta il massimo volume di fluido che può essere filtrato con una pressione differenziale costante pari a ∆p e con una portata media uguale alla portata minima ammessa Q_min.

Il valore Q_min può essere espresso sia in valore assoluto sia come percentuale x% del valore Q0della portata di fluido inizialmente rilevata per la pressione differenziale ∆p considerata, il quale à ̈ legato al valore assoluto dalla seguente relazione:

Q_ min =<x â‹…Q 0>.

100

Questo ciclo di controllo viene ripetuto almeno due volte a partire dall’inizio della filtrazione. Per il primo ciclo di controllo, il valore ∆p della pressione differenziale à ̈ preferibilmente impostato uguale al valore minimo ∆p_min precedentemente acquisito: ∆p= ∆p_min. Per ogni ciclo di controllo successivo, il valore ∆p della pressione differenziale à ̈ impostato in modo da essere superiore a quello impostato al ciclo precedente, ad esempio incrementato di una quantità costante prestabilita.

Un qualunque generico ciclo di controllo (i-esimo) sarà dunque eseguito ad una pressione differenziale ∆pimaggiore di quella ∆pi-1del ciclo di controllo precedente (∆pi>∆pi-1), e fornirà valori t_previdella durata di filtrazione prevista, Q_previdella portata media prevista e un V_maxidel volume massimo filtrabile, corrispondenti al relativo valore ∆pidella pressione differenziale.

Dopo ogni ciclo di controllo, il PLC 60 confronta il valore di t_previdella durata di filtrazione con quello t_previ-1calcolato nel ciclo di controllo precedente. Se t_previà ̈ inferiore a t_previ-1, allora il PLC 60 esegue un ulteriore ciclo di controllo, regolando il funzionamento (la velocità) della pompa di alimentazione 20 in modo da proseguire la filtrazione con un valore di pressione differenziale ∆pi+1superiore rispetto al valore ∆pi; altrimenti, interrompe l’esecuzione dei ciclo di controllo, seleziona il valore ∆pi-1utilizzato nel ciclo di controllo precedente come valore ottimale ∆p* della pressione differenziale, e prosegue la filtrazione, controllando il funzionamento (velocità) della pompa di alimentazione 20, in modo tale da mantenere una pressione differenziale costante uguale al valore ottimale ∆p*=∆pi-1selezionato.

In alternativa, dopo ogni ciclo di controllo, il PLC 60 potrebbe confrontare il valore Q_previdella portata media di fluido con quello Q_previ-1calcolato nel ciclo di controllo precedente. Se Q_previà ̈ superiore a Q_previ-1, allora il PLC 60 esegue un ulteriore ciclo di controllo, regolando il funzionamento (la velocità) della pompa di alimentazione 20 in modo da proseguire la filtrazione con un valore di pressione differenziale ∆pi+1superiore rispetto al valore ∆pi; altrimenti, interrompe l’esecuzione dei ciclo di controllo, seleziona il valore ∆pi-1utilizzato nel ciclo di controllo precedente come valore ottimale ∆p* della pressione differenziale, e prosegue la filtrazione, controllando il funzionamento (velocità) della pompa di alimentazione 20, in modo tale da mantenere una pressione differenziale costante e sostanzialmente pari al valore ottimale ∆p*=∆pi-1selezionato.

Una volta stabilito il valore ottimale ∆p*=∆pi-1della pressione differenziale, il metodo di controllo prevede che il PLC 60 stabilisca se sarà necessario, durante il prosieguo della filtrazione, eseguire una o più fasi di lavaggio degli elementi filtranti 13. Questa decisione à ̈ effettuata dal PLC 60 tramite il confronto del valore totale V_tot della quantità di fluido che dovrà essere stata filtrata al termine della filtrazione con il valore V_maxi-1del volume massimo filtrabile calcolato durante il ciclo di controllo effettuato alla pressione differenziale ottimale ∆pi-1=∆p*. In particolare, il PLC 60 stabilisce che sono necessarie una o più fasi di lavaggio, se il valore V_maxi-1à ̈ inferiore al valore V_tot. Nel caso in cui il PLC 60 stabilisca che sono necessarie una o più fasi di lavaggio intermedie, il numero di queste fasi viene stabilito e ottimizzato con la procedura descritta nel seguito.

Tale procedura prevede che il PLC 60 esegua un ciclo di calcolo comprendente la fase iniziale di impostare un numero ipotetico N di fasi di lavaggio.

Il numero ipotetico N di fasi di lavaggio intermedie comporta che, ipoteticamente, la filtrazione sarà globalmente suddivisa in un numero di fasi parziali di filtrazione che à ̈ pari al numero ipotetico N di lavaggi intermedi maggiorato di una unità. Di conseguenza, il volume di prodotto che verrà filtrato nel corso di ciascuna fase parziale di filtrazione sarà pari al volume totale di fluido che rimane da filtrare, diviso per il numero ipotetico di fasi parziali di filtrazione.

Il ciclo di calcolo prevede dunque di calcolare un valore parziale V_fase della quantità (tipicamente espressa in volume) di fluido da filtrare in ciascuna fase parziale di filtrazione, secondo la relazione seguente:

<V>_<tot>*

V _ fase =

N 1

in cui V_tot* à ̈ uguale al valore totale V_tot di fluido che deve essere stato filtrato al termine della filtrazione, cui à ̈ stata sottratta la quantità di fluido che à ̈ già stata filtrata dall’inizio della filtrazione, in particolare quella che à ̈ stata cumulativamente filtrata durante i precedenti ciclo di controllo.

Il valore V_fase così ottenuto viene quindi utilizzato per calcolare un valore previsto t_prev_fase secondo l’equazione seguente:

t_ prev_ fase=c1â‹…V _ fase<2>+c2 â‹…V _ fase

la quale deriva dalla equazione [2] descritta in premessa, ed in cui i coefficienti c1 e c2 sono quelli calcolati (tramite le medie) durante il ciclo di controllo effettuato alla pressione differenziale ottimale ∆p*=∆pi-1.

A questo punto, il ciclo di calcolo prevede che il PLC 60 calcoli un valore atteso t_prev_tot della durata complessiva della filtrazione secondo l’equazione seguente:

t_ prev_tot =(N 1)â‹…t_ prev_ fase+N â‹…t _ lav

in cui t_lav à ̈ la durata di ciascuna fase di lavaggio degli elementi filtranti 13, così come impostata dall’operatore.

Il ciclo di calcolo sopra descritto viene ripetuto almeno due volte dal PLC 60. Per il primo ciclo di calcolo, il numero ipotetico N di fasi di lavaggio à ̈ preferibilmente impostato uguale a zero: N=0. Per ogni ciclo di calcolo successivo, il numero ipotetico N di fasi di lavaggio viene incrementato di una unità rispetto al ciclo di calcolo precedente.

Ogni generico ciclo di calcolo (k-esimo) sarà dunque caratterizzato da un numero ipotetico NKdi fasi di lavaggio superiore a quello NK-1del ciclo precedente (NK=NK-1+1), , e fornirà un valore t_prev_totkdel tempo di filtrazione globale, corrispondente al relativo numero ipotetico NKdelle fasi di lavaggio.

Dopo ogni ciclo di calcolo, il numero di NKdi fasi di lavaggio viene confrontato con il numero massimo ammissibile di cicli di lavaggio N_max impostato dall’operatore, mentre valore atteso t_prev_totkdel tempo di filtrazione globale viene confrontato con quello t_prev_totk-1calcolato con ciclo di calcolo precedente.

Se t_prev_totkà ̈ maggiore o uguale a t_prev_totk-1, o se Nkà ̈ uguale a N_max, il PLC 60 smette di eseguire ulteriori cicli di calcolo; altrimenti, esso esegue un nuovo ciclo di calcolo, incrementando il numero ipotetico di cicli di lavaggio di una unità, così come descritto in precedenza.

In particolare, se t_prev_totkà ̈ maggiore o uguale a t_prev_totk-1, il PLC 60 setta il numero Nk-1del ciclo precedente come numero ottimale N* di fasi di lavaggio: N*= Nk-1. Se invece Nkà ̈ uguale a N_max, il PLC 60 setta il numero Nkdel ciclo attuale come numero ottimale N* di fasi di lavaggio: N*= Nk-1.

Una volta stabilito il numero ottimale N* di fasi di lavaggio intermedie, il PLC 60 comanda l’apparato di filtrazione 10 a continuare la filtrazione con il valore ottimale ∆p* della pressione differenziale e ad eseguire effettivamente un numero fasi di lavaggio intermedie pari al numero ottimale N* stabilito.

Nel caso alternativo in cui la filtrazione debba essere eseguita in modalità a portata costante, il metodo di controllo prevede che il PLC 60 acquisisca:

- un valore totale V_tot del volume di fluido che dovrà essere stato filtrato al termine della filtrazione,

- un valore minimo ammissibile ∆p_min della pressione differenziale ai capi del dispositivo filtrante 11,

- un valore massimo ammissibile ∆p_max della pressione differenziale ai capi del dispositivo filtrante 11,

- un valore minimo ammissibile Q_min della portata di fluido che attraversa il dispositivo filtrante 11,

- un numero massimo ammissibile N_max del numero di fasi di lavaggio che possono essere eseguite durante la filtrazione,

- un valore previsto t_lav della durata di ciascuna di queste fasi di lavaggio.

Questi valori possono essere forniti direttamente dall’operatore, ad esempio tramite il già citato sistema di interfaccia collegato con il PLC 60.

Anche in questo caso, il PLC 60 avvia la pompa di alimentazione 20 in modo da dare inizio alla filtrazione. Durante questa filtrazione, il PLC 60 Ã ̈ in grado di monitorare in continuo:

- il valore attuale della pressione differenziale ai capi del dispositivo filtrante 11,

- il valore attuale della portata di fluido che attraversa il dispositivo filtrante 11,

- il valore attuale del volume cumulativo di fluido che à ̈ stato filtrato.

Il valore attuale della pressione differenziale può essere calcolato mediante i trasduttori di pressione 22 e 23, mentre i valori attuali della portata istantanea e del volume cumulativo possono essere determinati mediante il misuratore di portata 24.

Subito dopo l’inizio della filtrazione, il PLC 60 esegue un ciclo di controllo della filtrazione che prevede innanzitutto di controllare il funzionamento (la velocità) della pompa di alimentazione 20, affinché la filtrazione, durante tutto il ciclo di controllo, venga condotta a una prefissata portata costante di fluido che attraversa il dispositivo filtrante 11, il cui valore può essere genericamente indicato come Q.

A partire dall’inizio del ciclo di controllo, il PLC 60 monitora di continuo:

- il valore V del volume cumulativo di fluido che à ̈ stato filtrato dall’inizio del ciclo di controllo, e

- il valore ∆p della pressione differenziale ai capi del dispositivo di filtrazione.

Dopo aver atteso un intervallo di tempo necessario alla stabilizzazione del sistema (impostabile dall’operatore), il PLC 60 acquisisce almeno quattro o cinque coppie di valori dei parametri sopra menzionati, genericamente indicate come (Vj, ∆pj), relative ad istanti j successivi nel corso del ciclo di controllo. In altre parole, il termine il termine Vj à ̈ il volume cumulativo di fluido che, al generico istante j, à ̈ stato filtrato dall’inizio del ciclo di controllo, mentre il termine ∆pjà ̈ la pressione differenziale che, al medesimo istante j, à ̈ calcolata ai capi del dispositivo filtrante 11. Per ottenere ciascuna coppia di valori, il PLC 60 può acquisire il valore Vjdel volume di fluido che à ̈ stato filtrato al raggiungimento di una pressione differenziale pari a ∆pjo, viceversa, può acquisire il valore ∆pjdella pressione differenziale raggiunta dopo che un prefissato valore Vj del volume di fluido à ̈ stato filtrato dall’inizio del ciclo di controllo.

Ogni coppia di valori (Vj, ∆pj) viene applicata alla equazione [6] descritta in premessa, ottenendo:

ln(Vj)=k7⋅ln(∆pj) − k 8

in cui le uniche incognite sono i coefficienti k7 e k8.

Le equazioni ottenute per ciascuna coppia di valori (Vj, ∆pj) vengono messe a sistema a due a due, in modo da calcolare n (enne) coppie di valori (k7m, k8m) dei coefficienti incogniti. Mediante queste coppie di valori, il PLC 60 calcola i valori definitivi dei coefficienti incogniti dell’equazione [6] attraverso le medie seguenti:

n

∑ k 7<m>

k 7 = m= 1

n

n

∑ k 8<m>

k 8 = m= 1

.

n

Si tenga presente che, al posto della equazione [6], il PLC 60 potrebbe utilizzare in modo analogo le equazioni [3], [4] o [5]. Nel caso delle equazioni [3] e [4], il PLC 60 dovrebbe naturalmente tenere monitorato, al posto dei valori Vjdi volume di fluido filtrato, i tempi tjtrascorsi dall’inizio del ciclo di controllo. La scelta dell’equazione da considerare non ha influenza sul metodo di controllo perché, essendo la portata Q costante, il PLC 60 può sempre passare dal campo dei tempi al campo dei volumi filtrati, o viceversa, semplicemente utilizzando il valore Q della portata, o rispettivamente il suo inverso, come fattore di conversione.

Tornando all’esempio qui illustrato, il PLC 60 applica all’equazione [6] i coefficienti k7 e k8 ottenuti con le medie precedenti, ed il valore ∆p_max della pressione differenziale, in modo da calcolare un valore atteso V_prev della quantità cumulativa (espressa in volume) di fluido che risulterebbe filtrata al termine della filtrazione, qualora si mantenesse una portata costante pari a quella Q utilizzata nel ciclo di controllo.

Conoscendo il valore atteso V_prev della durata totale della filtrazione, ed essendo la portata Q costante, il PLC 60 calcola anche un valore atteso t_prev della durata della filtrazione per raggiungere il prefissato valore ∆p_max della pressione differenziale, con la seguente equazione:

t_ prev =<V _ prev>.

Q

Questo ciclo di controllo viene ripetuto almeno due volte a partire dall’inizio della filtrazione. Per il primo ciclo di controllo, il valore Q della portata di fluido da filtrare à ̈ preferibilmente impostato uguale al valore minimo Q_min precedentemente acquisito: Q= Q_min. Per ogni ciclo di controllo successivo, il valore Q della portata à ̈ impostato in modo da essere superiore a quello impostato al ciclo precedente, ad esempio incrementato di una quantità prestabilita.

Un qualunque generico ciclo di controllo (i-esimo) sarà dunque eseguito ad una portata Qimaggiore di quella Qi-1del ciclo di controllo precedente (Qi>Qi-1), e fornirà valori t_previdella durata di filtrazione prevista e V_previdel volume di fluido filtrabile, corrispondenti al relativo valore Qidella portata.

Dopo ogni ciclo di controllo, il PLC 60 confronta il valore di V_previdel volume di fluido filtrabile con quello V_previ-1calcolato nel ciclo di controllo precedente. Se V_previà ̈ superiore a V_previ-1, allora il PLC 60 esegue un ulteriore ciclo di controllo, regolando il funzionamento (la velocità) della pompa di alimentazione 20 in modo da proseguire la filtrazione con un valore di portata Qi+1superiore rispetto al valore Qi; altrimenti, interrompe l’esecuzione dei ciclo di controllo, seleziona il valore Qi-1utilizzato nel ciclo di controllo precedente come valore ottimale Q* della portata, e prosegue la filtrazione, controllando il funzionamento (velocità) della pompa di alimentazione 20, in modo tale da mantenere una portata di fluido costante e sostanzialmente pari al valore ottimale Q*=Qi-1selezionato.

Una volta stabilito il valore ottimale Q*=Qi-1della portata di fluido, il metodo prevede che il PLC 60 stabilisca se sarà necessario, durante il prosieguo della filtrazione, eseguire una o più fasi di lavaggio degli elementi filtranti 13. Questa decisione à ̈ effettuata dal PLC 60 tramite il confronto del valore totale V_tot della quantità di fluido che dovrà essere stata filtrata al termine della filtrazione con il valore V_previ-1del volume filtrabile calcolato durante il ciclo di controllo effettuato alla portata ottimale Qi-1=Q*. In particolare, il PLC 60 stabilisce che sono necessarie una o più fasi di lavaggio, se il valore V_previ-1à ̈ inferiore al valore V_tot.

Nel caso in cui il PLC 60 stabilisca che sono necessarie una o più fasi di lavaggio intermedie, il numero di queste fasi viene stabilito e ottimizzato con la procedura analoga a quella descritta in precedenza.

Tale procedura prevede infatti che il PLC 60 esegua un ciclo di calcolo comprendente la fase iniziale di impostare un numero ipotetico N di fasi di lavaggio.

Come spiegato in precedenza, il numero ipotetico N di fasi di lavaggio intermedie comporta che, ipoteticamente, la filtrazione sarà globalmente suddivisa in un numero di fasi parziali di filtrazione che à ̈ pari al numero ipotetico N di lavaggi intermedi maggiorato di una unità. Di conseguenza, il volume di prodotto che verrà filtrato nel corso di ciascuna fase parziale di filtrazione sarà pari al volume totale di fluido che rimane da filtrare, diviso per il numero ipotetico di fasi parziali di filtrazione.

Il ciclo di calcolo prevede dunque di calcolare un valore parziale V_fase della quantità (tipicamente espressa in volume) di fluido da filtrare in ciascuna fase parziale di filtrazione, secondo la relazione seguente:

<V>_<tot>*

V _ fase =

N 1

in cui V_tot* à ̈ uguale al valore totale V_tot di fluido che deve essere stato filtrato al termine della filtrazione, cui à ̈ stata sottratta la quantità di fluido che à ̈ già stata filtrata dall’inizio della filtrazione, in particolare quella che à ̈ stata cumulativamente filtrata durante i precedenti ciclo di controllo.

Il valore V_fase così ottenuto viene quindi utilizzato per calcolare un valore previsto t_prev_fase secondo l’equazione:

<V>_<f>t_ prev _ fase =<ase>

Q*

in cui Q* Ã ̈ il valore ottimale della portata di fluido da filtrare precedentemente stabilito: Q*=Qi-1.

A questo punto, il ciclo di calcolo prevede che il PLC 60 calcoli un valore atteso t_prev_tot della durata complessiva della filtrazione secondo l’equazione seguente:

t_ prev_tot =(N 1)â‹…t_ prev_ fase+N â‹…t _ lav

in cui t_lav à ̈ la durata di ciascuna fase di lavaggio degli elementi filtranti 13, così come impostata dall’operatore.

Il ciclo di calcolo sopra descritto viene ripetuto almeno due volte dal PLC 60. Per il primo ciclo di calcolo, il numero ipotetico N di fasi di lavaggio à ̈ preferibilmente impostato uguale a zero: N=0. Per ogni ciclo di calcolo successivo, il numero ipotetico N di fasi di lavaggio viene incrementato di una unità rispetto al ciclo di calcolo precedente.

Ogni generico ciclo di calcolo (k-esimo) sarà dunque caratterizzato da un numero ipotetico NKdi fasi di lavaggio superiore a quello NK-1del ciclo precedente (NK=NK-1+1), , e fornirà un valore t_prev_totkdel tempo di filtrazione globale, corrispondenti al relativo numero ipotetico NKdelle fasi di lavaggio.

Dopo ogni ciclo di calcolo, il numero di NKdi fasi di lavaggio viene confrontato con il numero massimo ammissibile di cicli di lavaggio N_max impostato dall’operatore, mentre valore atteso t_prev_totkdel tempo di filtrazione globale viene confrontato con quello t_prev_totk-1calcolato con ciclo di calcolo precedente.

Se t_prev_totkà ̈ maggiore o uguale a t_prev_totk-1, o se Nkà ̈ uguale a N_max, il PLC 60 smette di eseguire ulteriori cicli di calcolo; altrimenti, esso esegue un nuovo ciclo di calcolo, incrementando il numero ipotetico di cicli di lavaggio di una unità, così come descritto in precedenza.

In particolare, se t_prev_totkà ̈ maggiore o uguale a t_prev_totk-1, il PLC 60 setta il numero Nk-1del ciclo precedente come numero ottimale N* di fasi di lavaggio: N*= Nk-1. Se invece Nkà ̈ uguale a N_max, il PLC 60 setta il numero Nkdel ciclo attuale come numero ottimale N* di fasi di lavaggio: N*= Nk-1.

Una volta stabilito il numero ottimale N* di fasi di lavaggio intermedie, il PLC 60 comanda l’apparato di filtrazione 10 a continuare la filtrazione con il valore ottimale Q* della portata di fluido da filtrare e ad eseguire effettivamente un numero fasi di lavaggio intermedie pari al numero ottimale N* stabilito.

Ovviamente a quanto descritto in precedenza, un tecnico del settore potrà apportare numerose modifiche di natura tecnico-applicativa, senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione come sotto rivendicata.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un metodo di filtrazione di un fluido comprendente la fase di azionare il fluido ad attraversare almeno un elemento filtrante (13) in modo da eseguire una filtrazione e, durante detta filtrazione, di eseguire un ciclo di controllo comprendente le seguenti fasi di: - monitorare il valore di un primo e di un secondo parametro di processo della filtrazione scelti tra: tempo trascorso dall’inizio di detto ciclo di controllo, quantità di fluido che ha attraversato l’elemento filtrante (13) dall’inizio di detto ciclo di controllo, e pressione differenziale ai capi dell’elemento filtrante (13), - utilizzare i valori monitorati di detti primo e secondo parametro di processo, per determinare i coefficienti di una funzione di correlazione che pone in relazione univoca i medesimi primo e secondo parametro di processo, - scegliere uno tra detti primo e secondo parametro di processo come parametro di riferimento, e l’altro come parametro di controllo, - settare un valore desiderato del parametro di riferimento, - applicare alla funzione di correlazione detto valore desiderato ed i coefficienti precedentemente determinati, per stimare un corrispondente valore del parametro di controllo.
2. 2. Un metodo secondo la rivendicazione 1, in cui il ciclo di controllo comprende la fase di controllare l’azionamento del fluido in modo che la pressione differenziale ai capi dell’elemento filtrante (13), durante il ciclo di controllo, sia costantemente pari ad un valore prefissato; in cui il primo parametro di processo à ̈ il tempo trascorso dall’inizio del ciclo di controllo; ed in cui il secondo parametro di processo à ̈ la quantità di fluido che ha attraversato l’elemento filtrante (13) dall’inizio del ciclo di controllo.
3. 3. Un metodo secondo la rivendicazione 2, comprendente le fasi di: - ripetere più volte il ciclo di controllo, ogni volta utilizzando un diverso prefissato valore della pressione differenziale, - selezionare come valore ottimale, tra i valori di pressione differenziale utilizzati durante i vari cicli di controllo, quello per cui il valore atteso del parametro di controllo à ̈ indicativo di una portata media più elevata, e - proseguire la filtrazione, controllando l’azionamento del fluido in modo da mantenere una pressione differenziale costante e sostanzialmente pari al valore ottimale selezionato.
4. 4. Un metodo secondo la rivendicazione 3, comprendente le fasi di: - utilizzare i coefficienti della funzione di correlazione determinati durante il ciclo di controllo effettuato con il valore ottimale della pressione differenziale, per determinare un numero ottimale di fasi di lavaggio intermedie, e - proseguire la filtrazione effettuando un numero di fasi di lavaggio intermedie pari al numero ottimale determinato.
5. 5. Un metodo secondo la rivendicazione 4, in cui la determinazione del numero ottimale di fasi di lavaggio viene preferibilmente effettuata mediante le fasi di: - effettuare un ciclo di calcolo che prevede di: - impostare un numero ipotetico di fasi di lavaggio, - calcolare un valore parziale della quantità di fluido da filtrare in base ad un valore totale della quantità di fluido che deve essere stato filtrato al termine della filtrazione ed il numero ipotetico di fasi di lavaggio, - utilizzare la funzione di correlazione, i relativi coefficienti determinati per il valore ottimale della pressione differenziale e il valore parziale della quantità di fluido da filtrare, per stimare un valore parziale di un tempo di filtrazione, - calcolare un valore totale del tempo di filtrazione sulla base di detto valore parziale, del numero ipotetico di fasi di lavaggio e di un valore predeterminato della durata di ciascuna di dette fasi di lavaggio, - ripetere il ciclo di calcolo, incrementando ogni volta il numero ipotetico di fasi di lavaggio, fino a quando il tempo totale di filtrazione determinato con l’ultimo ciclo di calcolo risulta superiore a quello determinato con il ciclo di calcolo precedente, o fino a quando il numero ipotetico di fasi di lavaggio à ̈ uguale ad un numero massimo ammissibile, quindi - settare come numero ottimale di fasi di lavaggio quello impostato per detto ciclo di calcolo precedente o, rispettivamente, - settare come numero ottimale di fasi di lavaggio il numero massimo ammissibile.
6. 6. Un metodo secondo la rivendicazione 1, in cui il ciclo di controllo comprende la fase di controllare l’azionamento del fluido in modo che la portata di fluido che attraversa l’elemento filtrante (13), durante il ciclo di controllo, sia costantemente pari ad un valore prefissato; in cui il primo parametro di processo à ̈ la pressione differenziale; ed in cui il secondo parametro di processo à ̈ scelto tra: il tempo trascorso dall’inizio del ciclo di controllo e la quantità di fluido che ha attraversato l’elemento filtrante (13) dall’inizio del ciclo di controllo.
7. 7. Un metodo secondo la rivendicazione 6, comprendente le fasi di: - ripetere più volte il ciclo di controllo, ogni volta utilizzando un diverso prefissato valore della portata, - selezionare come valore ottimale, tra i valori di portata utilizzati durante i vari cicli di controllo, quello per cui il valore atteso del parametro di controllo à ̈ indicativo di una quantità totale di fluido filtrato più elevata, - proseguire la filtrazione, controllando l’azionamento del fluido in modo da mantenere una portata costante e sostanzialmente pari al valore ottimale selezionato.
8. 8. Un metodo secondo la rivendicazione 7, comprendente le fasi di: - utilizzare i coefficienti della funzione di correlazione determinati durante il ciclo di controllo effettuato con il valore ottimale della portata, per determinare un numero ottimale di fasi di lavaggio intermedie, e - proseguire la filtrazione effettuando un numero di fasi di lavaggio intermedie pari al numero ottimale determinato.
9. 9. Un metodo secondo la rivendicazione 8, in cui la determinazione del numero ottimale di fasi di lavaggio viene preferibilmente effettuata mediante le fasi di: - effettuare un ciclo di calcolo che prevede di: - impostare un numero ipotetico di fasi di lavaggio, - calcolare un valore parziale della quantità di fluido da filtrare in base ad un valore totale della quantità di fluido che deve essere stato filtrato al termine della filtrazione ed il numero ipotetico di fasi di lavaggio, - utilizzare la funzione di correlazione, i relativi coefficienti determinati per il valore ottimale della portata e il valore parziale della quantità di fluido da filtrare, per stimare un valore parziale di un tempo di filtrazione, - calcolare un valore totale del tempo di filtrazione sulla base di detto valore parziale, del numero ipotetico di fasi di lavaggio e di un valore predeterminato della durata di ciascuna di dette fasi di lavaggio, - ripetere il ciclo di calcolo, incrementando ogni volta il numero ipotetico di fasi di lavaggio, fino a quando il tempo totale di filtrazione determinato con l’ultimo ciclo di calcolo risulta superiore a quello determinato con il ciclo di calcolo precedente, o fino a quando il numero ipotetico di fasi di lavaggio à ̈ uguale ad un numero massimo ammissibile, quindi - settare come numero ottimale di fasi di lavaggio quello impostato per detto ciclo di calcolo precedente o, rispettivamente, - settare come numero ottimale di fasi di lavaggio il numero massimo ammissibile.
10. 10. Un metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui la determinazione dei coefficienti della funzione di correlazione prevede di: - rilevare, durante la filtrazione nel corso del ciclo di controllo, almeno due coppie di valori corrispondenti del primo e del secondo parametro di processo, - applicare tali coppie di valori corrispondenti alla funzione di correlazione, in modo da ottenere almeno due equazioni aventi per incognite i suddetti coefficienti, e - mettere a sistema tali equazioni per determinare i valori dei coefficienti.
11. 11. Un metodo secondo la rivendicazione 10, in cui la determinazione dei coefficienti della funzione di correlazione prevede di: - rilevare, durante la filtrazione nel corso del ciclo di controllo, più di due coppie di valori corrispondenti del primo e secondo parametro di processo, - applicare tali coppie di valori corrispondenti alla funzione di correlazione, in modo da ottenere altrettante equazioni aventi per incognite i suddetti coefficienti, - mettere a sistema tali equazioni a due a due per determinare una pluralità di valori indicativi dei coefficienti, e - calcolare ciascun coefficiente come una media dei relativi valori indicativi.
12. 12. Un programma per elaboratore comprendente un codice informatico per eseguire le fasi del metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti.
13. 13. Un apparato di filtrazione per un fluido, comprendente un involucro (12) avente un ingresso (14) ed un’uscita (15), almeno un elemento filtrante (13) posto a suddividere il volume interno dell’involucro (12) in una prima camera (18) comunicante con l’ingresso (14) ed una seconda camera (19) comunicante con l’uscita (15), primi mezzi di misura per monitorare un tempo trascorso, secondi mezzi di misura (24) per monitorare una quantità di fluido che attraversa l’elemento filtrante (13), terzi mezzi di misura (22, 23) per monitorare una differenza tra la pressione del fluido all’ingresso e la pressione del fluido all’uscita, ed un dispositivo di controllo (60) configurato per eseguire un metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti.