ITVR20090155A1

ITVR20090155A1 - Apparato di filtrazione tangenziale

Info

Publication number: ITVR20090155A1
Application number: IT000155A
Authority: IT
Inventors: Antonio Velo
Original assignee: Velo Spa
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2011-04-02
Also published as: EP2308586A1

Description

Descrizione di Brevetto di Invenzione Industriale avente per titolo:

“APPARATO DI FILTRAZIONE TANGENZIALE”

CAMPO TECNICO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un apparato di filtrazione tangenziale per liquidi, in particolare per filtrare succhi estratti da frutta o verdura, preferibilmente vino, birra o loro derivati qui considerati come esempio principale.

STATO DELLA TECNICA ANTERIORE

Per separare la parte liquida di un succo spremuto di frutta dalla parte solida o per microfiltrare vini o birre spesso si usano apparati di filtrazione tangenziale, ove il liquido è spinto dentro filtri a membrane tangenziali. Tali filtri sono formati da un fascio di cannule tubolari porose in cui viene pompato il liquido e da cui lateralmente permea il filtrato chiarificandosi.

Fig. 1 mostra schematicamente un apparato di filtrazione noto dotato di due banchi di filtrazione 10 aventi n filtri 12 in parallelo. Le frecce indicano il verso di percorrenza del liquido nei condotti. Una pompa di alimentazione 14 pompa il liquido da filtrare verso i banchi 10, mentre due pompe di ricircolo 16 fanno circolare il liquido all’interno dei banchi 10 stessi. In passato vi era un’altra pompa 18 per ogni banco 10, ma si è scoperto che poteva essere eliminata a parità di efficienza. Dai moduli 10 il liquido filtrato viene convogliato su un condotto di uscita 20. In questo schema i moduli 10 sono alimentati in parallelo dalla pompa 14.

Il problema del sistema in fig.1 è la sua complessità, soprattutto causata dal numero di pompe, e di conseguenza anche il consumo energetico.

SCOPI DELL’INVENZIONE.

Scopo principale dell’invenzione è semplificare il sopra descritto sistema di filtrazione. Altro scopo è migliorarne la resa energetica.

Tali scopi sono ottenuti con un apparato di filtrazione tangenziale per liquidi, in particolare per filtrare vino o birra, comprendente:

- un condotto di ingresso che porta il liquido da filtrare;

- due o più moduli di filtrazione tangenziale ciascuno composto da un ingresso e una prima uscita per il liquido da filtrare e una seconda uscita per il liquido filtrato;

- mezzi di pompaggio per far ricircolare il liquido da filtrare nei moduli dalla prima uscita all’ingresso;

caratterizzato dal fatto che la prima uscita di almeno un modulo è collegata per alimentare l’ingresso di un altro modulo, in modo che tali moduli siano collegati in serie.

Il collegamento in serie tra moduli permette di ridurre il numero dei mezzi di pompaggio e, sorprendentemente, di ridurre la portata e quindi la potenza necessaria. I benefici massimi si hanno se la prima uscita di ogni modulo è collegata per alimentare l’ingresso di un altro modulo, in modo che tutti i moduli siano collegati in serie.

Una variante molto vantaggiosa perché riduce a uno il numero di mezzi di pompaggio si ha quando essi sono configurati per far ricircolare il liquido da filtrare solo dalla prima uscita di un modulo estremo nella serie all’ingresso dell’altro modulo estremo nella serie. In altre parole, quando i moduli formano una “catena” o successione ove la prima uscita di uno è collegata per alimentare l’ingresso del successivo è sufficiente prelevare il liquido dall’uscita terminale e pomparlo indietro nel modulo che ha l’ingresso non concatenato.

Altra variante molto vantaggiosa si ha se, per tutti gli ingressi che non sono nodo di iniezione di liquido dei mezzi di pompaggio, il condotto di ingresso è collegato all’ingresso di ogni modulo e alla prima uscita del modulo che lo precede nella serie. Ciò permette di equalizzare meglio le portate nei moduli.

E’ risultato vantaggioso servirsi di mezzi per regolare la pressione del liquido alla seconda uscita di ogni modulo, allo scopo di equalizzare le pressioni all’interno dei moduli filtranti per avere rendimenti ottimali. Una configurazione ottimale si ottiene se i mezzi per regolare la pressione del liquido sono atti a regolare la pressione in modo da generare una contropressione in uscita di ogni modulo che è decrescente via via che ci si allontana dal punto di iniezione dei mezzi di pompaggio.

L’apparato per semplificare il controllo e la gestione può comprendere mezzi sensori per rilevare portate e/o pressioni al suo interno, e mezzi elaboratori atti a pilotare i mezzi di regolazione e/o i mezzi di pompaggio per regolare pressioni e/o portate all’interno dell’apparato ad un valore stabilito. Preferibilmente i mezzi di pompaggio sono configurati o regolati per far ricircolare il liquido da filtrare nei moduli ad una velocità da 1m/s a 1,9m/s, preferibilmente da circa 1,4m/s a 1,6m/s; valori che ottimizzano il rendimento.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

la figura 1 mostra schematicamente un noto apparato di filtrazione tangenziale; la figura 2 mostra schematicamente un apparato di filtrazione tangenziale secondo l’invenzione;

la figura 3 mostra dei valori funzionali di portata per l’apparato di fig.2;

la figura 4 mostra dei valori funzionali di portata per una variante dell’apparato di fig.

2;

la figura 5 mostra dei valori funzionali di pressione per una variante dell’apparato di fig. 2;

la figura 6 mostra dei valori funzionali di pressione per l’apparato di fig.2;

la figura 7 mostra schematicamente un altro apparato di filtrazione tangenziale secondo l’invenzione.

Fig. 2 mostra un apparato di filtrazione per liquidi secondo l’invenzione, ad es. per filtrare vino, birra, o succo di frutta, usabile per il prodotto finito o meno.

Esso comprende due banchi di filtrazione 50 aventi n filtri 52 in parallelo (n dipende dalla potenza delle pompe in gioco). Ancora le frecce indicano il verso di percorrenza del liquido nei condotti. Una sola pompa di alimentazione 54 pompa il liquido da filtrare ad un ingresso principale IN dell’apparato verso i banchi 50, mentre vi è solo una pompa di ricircolo 56 per far circolare il liquido all’interno dei banchi 50 stessi. Dai banchi 50 il liquido filtrato viene convogliato su un comune condotto di uscita 60, passando preferibilmente attraverso mezzi di regolazione 70 della pressione del liquido, ad es. un’elettrovalvola o valvola manuale.

In questo schema i banchi 50 sono alimentati in serie dalla pompa 54, ossia l’uscita di liquido non filtrato di ogni banco 50 alimenta l’entrata di un banco 50 seguente. La pompa 54 serve a far ricircolare il liquido non filtrato tra tutti i banchi 50. E’ evidente allora che si risparmia, rispetto a fig. 1, una pompa e tutti i consumi associati (le potenze in gioco sono ora metà).

Viene migliorata anche la resa dell’apparato dato che si possono abbassare le portate, dai soliti 2m/s a circa da 1,4m/s a 1,6m/s, preferibilmente 1.5m/s, grazie a alle minori perdite di carico. Vi sono infatti delle formule che mettono in relazione la perdita di carico con la velocità del liquido, il diametro dei filtri, la turbolenza, etc. Sorprendentemente si è notato che gli effetti di turbolenza peggiorano di poco diminuendo la velocità del liquido all'interno dei capillari dei banchi, a vantaggio del risparmio energetico. Si può impiegare metà potenza riducendo di metà la perdita di carico semplicemente abbassando del 25% o più la velocità di scorrimento ordinaria del liquido, riducendo del 50% la potenza impiegata. Considerando che si raddoppia la superficie filtrante mettendo in serie due banchi 50 il risparmio in potenza è di circa il 70%. Poiché la velocità sulla parete dei capillari diminuisce, e lo sporco tende a depositarsi, questo problema si risolve facilmente lavando meglio le membrane. La pompa 54 inietta il liquido da filtrare in un nodo P in cui confluiscono l’uscita di liquido non filtrato del primo banco 50 e l’ingresso del secondo. Questa configurazione ha molti vantaggi rispetto ad es. al collegamento al nodo Q (una variante possibile dell’invenzione). Per capire perché si veda fig.3 e 4, che riportano le portate in m<3>/h nei vari punti del circuito. In fig. 3 le medie tra le portate in ingresso e uscita del liquido non filtrato che attraversa ogni banco 50 valgono 17m<3>/h e 23m<3>/h. In fig. 4 invece le medie sono 29m<3>/h e 23m<3>/h, ossia molto più alte a parità di portata in ingresso all’apparato (12m<3>/h) e di ricircolo della pompa 54 (20m<3>/h).

I banchi 50 sono progettati per una portata nominale alla quale lavorano ottimamente e che, se superata, li può danneggiare. E’ chiaro come la configurazione di fig. 3 assicuri un punto di lavoro più vicino a quello nominale, ad es.20m<3>/h. a seconda del tipo di liquido da filtrare potrebbe non essere efficiente avere due banchi 50 che lavorano a portate diverse, ad es. perché in quello che riceve la portata più alta (in fig.

4, 32m<3>/h) i filtri si sporcano prima, e si dovrebbero sostituire i due banchi in tempi successivi e non assieme, con due sconvenienti fermi-macchina invece di uno. Infine, la grossa portata in ingresso al banco vicino all’ingresso IN determina notevoli perdite di carico nel banco stesso, e i moduli che vengono dopo nella serie lavorano peggio perché la pressione è inferiore.

Invece in fig.4 l’ingresso di liquido non filtrato IN (i) si somma alla portata in uscita da un banco 50 e ne compensa la perdita di liquido filtrato, ma (ii) non si somma alla portata della pompa di ricircolo, evitando che il riequilibrio di portata tra un capo e l’altro della pompa di ricircolo avvenga esclusivamente all’interno della cascata dei moduli 50. Si noti che solo in fig. 4 la media delle portate medie nei due banchi è 20m<3>/h, cioè quella della pompa di ricircolo.

I mezzi 70 hanno l’effetto di equalizzare la pressione del liquido all’interno dei banchi 50, migliorandone il rendimento. Si veda figg. 5 e 6, che riportano possibili pressioni di lavoro in bar nei vari punti del circuito. Ogni banco comporta una riduzione di pressione all’uscita del liquido non filtrato a causa delle perdite di carico. In fig. 5 la differenza di pressione tra ingresso e uscita del filtrato è diversa nei due banchi, e su uno (2bar) può essere eccessiva.

I banchi 50 sono progettati per una pressione nominale alla quale le membrane interne lavorano ottimamente e che, se superata, le può danneggiare. E’ chiaro come i mezzi 70 di fig. 6 assicurano un punto di lavoro in pressione più vicino a quello nominale, ad es. 2bar. Inoltre in fig. 5 il banco con pressione in ingresso inferiore potrebbe lavorare poco o niente, o male.

Regolando i mezzi 70 in modo da dare una contropressione sufficiente nel banco a valle della pompa di ricircolo, e da dare una inferiore e piccola contropressione nell’altro banco, le differenze di pressione vengono equalizzate.

L’invenzione non è limitata a due soli banchi filtranti. Ad es. in fig. 7 è mostrato un apparato con tre banchi 50, in cui sono applicati i principi generali sopra esposti. In questo caso l’ingresso di liquido IN ai banchi 50 preferibilmente si sdoppia e si collega in due nodi P1, P2 posti tra le due coppie di banchi 50 interne alla serie. Potrebbe comunque attaccarsi solo in un punto. Ogni banco 50 ha sull’uscita del filtrato un mezzo 70 di regolazione della pressione, regolato per dare una contropressione inferiore via via che il relativo modulo è più lontano dal punto di iniezione della pompa di ricircolo. In questo modo all’ingresso dei banchi 50 si ottengono differenze di pressione circa uguali. Anche nel caso di molti banchi filtranti si ha un risparmio energetico, valendo le considerazioni precedenti.

Le portate e/o le pressioni all’interno dell’apparato possono essere rilevate da appositi sensori, e un elaboratore (ad es. un PLC) può pilotare i mezzi 70 e/o le pompe dell’apparato per regolare pressioni e/o portate su un riferimento prestabilito. Si noti che è stato descritto il sistema ottimale, ma niente impedisce di usare apparati misti, con moduli in serie e in parallelo nello stesso circuito, come ad es. il modulo PAR tratteggiato in fig.7.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Apparato di filtrazione tangenziale per liquidi, in particolare per filtrare succhi estratti da frutta o verdura, comprendente: - un condotto di ingresso (IN) che porta il liquido da filtrare; - due o più moduli di filtrazione tangenziale (50) ciascuno composto da un ingresso e una prima uscita per il liquido da filtrare e una seconda uscita per il liquido filtrato; - mezzi di pompaggio (56) per far ricircolare il liquido da filtrare nei moduli dalla prima uscita all’ingresso; caratterizzato dal fatto che la prima uscita di almeno un modulo è collegata per alimentare l’ingresso di un altro modulo, in modo che questi moduli siano collegati in serie.
2. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la prima uscita di ogni modulo è collegata per alimentare l’ingresso di un altro modulo, in modo che tutti i moduli siano collegati in serie.
3. Apparato secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i mezzi di pompaggio (56) sono configurati per far ricircolare il liquido da filtrare solo dalla prima uscita di un modulo (50) estremo nella serie all’ingresso dell’altro modulo (50) estremo nella serie.
4. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui, per tutti gli ingressi che non sono nodo di iniezione di liquido dei mezzi di pompaggio (56), il condotto di ingresso (IN) è collegato all’ingresso di ogni modulo (50) e alla prima uscita del modulo (50) che lo precede nella serie.
5. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi (70) per regolare la pressione del liquido alla seconda uscita di ogni modulo.
6. Apparato secondo la rivendicazione 5, in cui i mezzi (70) per regolare la pressione del liquido sono atti a regolare la pressione in modo da generare una contropressione in uscita di ogni modulo che è decrescente via via che ci si allontana dal punto di iniezione dei mezzi di pompaggio (56).
7. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi sensori per rilevare portate e/o pressioni all’interno dell’apparato e mezzi elaboratori atti a pilotare i mezzi di regolazione (70) e/o i mezzi di pompaggio (56) per regolare pressioni e/o portate all’interno dell’apparato ad un valore stabilito.
8. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi di pompaggio (56) sono configurati per far ricircolare il liquido da filtrare nei moduli ad una velocità da circa 1m/s a 1,9m/s.
9. Apparato secondo la rivendicazione 8, in cui i mezzi di pompaggio (56) sono configurati per far ricircolare il liquido da filtrare nei moduli ad una velocità da circa 1,4m/s a 1,6m/s.