Progettiamo impianti di trasporto pneumatico

Cos’è il trasporto pneumatico

Con trasporto pneumatico si indica un metodo molto diffuso in ambito industriale per trasferire materiali da un punto ad un altro attraverso condutture chiuse. La forza motrice per il trasferimento viene dalla combinazione fra una differenza di pressione ed il flusso di gas all’interno dei tubi. Il gas è in genere aria oppure, a seconda delle esigenze, un gas diverso, come l’azoto, che essendo inerte si presta per il trasporto di materiali potenzialmente esplosivi. Per capire completamente come funziona un impianto di trasporto pneumatico bisogna anche inserire altri elementi oltre alle condotte.

C’è un’apparecchiatura per gestire il gas che può essere una pompa, una soffiatore, un’unità aspirante… Apparati per introdurre il materiale nelle condotte e per raccoglierlo all’arrivo ed eventualmente elementi per la depolverazione. Sebbene le sostanze più comunemente trasferite siano farine, cementi, sabbie o plastiche, anche prodotti chimici, mangimi e minerali possono essere spostati pneumaticamente. Sono tutti materiali con un bassissimo grado di umidità, perchè sostanze in forma pastosa o liquida non sono adatte a questa modalità di movimentazione. Un sistema di trasporto pneumatico può anche essere progettato senza che il materiale da trasportare venga a diretto contatto con parti mobili.

Come funziona il trasporto pneumatico

Per muovere del materiale, come per compiere qualsiasi altro lavoro, occorre energia. Nel nostro caso il trasporto pneumatico funziona perchè l’energia è fornita dal differenziale di pressione (misurato in chilogrammi per centimetro quadrato) e dal flusso di aria (misurato in metri cubi al secondo). La pressione dell’aria sulla linea viene determinata dal dispositivo che la gestisce e che genera la pressione o il vuoto. La posizione di questo componente all’interno del sistema determina se viene generata l’una o l’altro. Se è posizionato all’inizio l’aria verrà spinta all’interno delle tubazioni e quindi si lavorerà in pressione. Se invece è posizionato alla fine della linea l’aria verrà estratta e quindi si lavorerà sotto vuoto.

Controllando adeguatamente la pressione, od il vuoto ed il flusso d’aria all’interno del sistema si potrà trasferire il materiale. Questi parametri variano principalmente in base a ciò che si vuole trasportare (caratteristiche di scorrevolezza, granulometria, peso specifico), al profilo della linea di trasporto (perdite di carico) ed alle prestazioni volute. Ecco perchè un sistema progettato per un determinato materiale può non essere adatto per un altro.

Schema di funzionamento di un sistema di trasporto pneumatico

Campi di applicazione

Siano in polvere o in forma granulare una grande varietà di materiali, in molti contesti industriali, possono essere spostati e stoccati grazie al trasporto pneumatico. Movimentare materiali è essenziale in ambiti come l’agricoltura, il settore minerario, la chimica, nella farmaceutica, nella produzione di vernici e nel trattamento dei metalli. L’agricoltura è un campo particolarmente adatto, infatti si ha a che fare con tonnellate di materiali: si pensi ai raccolti in grano e riso, ai mangimi ed ai fertilizzanti. La trasformazione dei prodotti alimentari potrebbe trarre molteplici benefici dall’utilizzo del trasporto pneumatico quando lavora o confeziona farine, tè, caffè e zucchero.

Il settore minerario e delle cave, dove si trattano minerali più o meno frammentati, è un altro ambito interessante per le applicazioni del trasporto pneumatico. Negli impianti di produzione energetica per muovere il carbone polverizzato, il carbone in pezzi e le ceneri, senza nessuna dispersione. Nelle industrie chimiche dove i materiali da movimentare sono tantissimi e in molte forme. La sabbia per le fonderie e nella produzione del vetro. Il cemento e l’allumina sono altri materiali che vengono trattati pneumaticamente in enormi tonnellaggi in una grande varietà di settori industriali.

Modalità di trasporto

Il materiale trasferito all’interno dei tubi può essere spostato in modo continuo, anche per 24 ore al giorno, oppure a lotti, cioè a quantità distinte di materiale. Per entrambe le modalità, dal punto di vista dell’operatività, esistono due grandi tipologie di trasferimento. Comprendere queste tipologie è essenziale per farsi un’idea più chiara di come funziona un impianto di trasporto pneumatico.

Se il materiale è trasportato in sospensione nell’aria, senza quindi scorrere lungo la parete interna dei tubi, allora siamo in presenza di quello che è definito trasporto in fase diluita, noto anche come trasporto in fase liquida o fluida. Viceversa se il materiale è mosso a bassa velocità, non in sospensione, attraverso tutto il tubo o scorrendo solo su una sua parte, allora si parla di trasporto in fase densa. Esiste anche una terza modalità ibrida: il trasporto in fase semidensa. In tutti i casi il sistema può funzionare, come è stato già specificato, in aspirazione o in pressione.

Trasporto in fase diluita

Per comprendere come funziona un sistema di trasporto pneumatico in fase diluita cominciamo pensando ad una strada durante una giornata ventosa. Camminando si viene colpiti dalla polvere e da ogni genere di cose, raccolte dal vento in rapido movimento. Più il vento è veloce più si è colpiti da oggetti, più il vento è veloce più solleva oggetti di grandi dimensioni. Nei casi limite un tornado od un uragano possono spostare “pneumaticamente” in fase diluita auto, pezzi di case e grossi rami di albero.

Esattamente come per il vento un sistema pneumatico in fase diluita si basa sulla velocità del flusso di aria per raccogliere pezzettini di materiale e per tenerli in sospensione lungo la linea di trasporto. La velocità scelta dipende dalla grandezza delle particelle di materiale e dalla loro densità. Il paragone con la giornata ventosa fa anche capire che un sistema di trasporto pneumatico in fase diluita è in grado di movimentare virtualmente qualsiasi tipo di materiale, indipendentemente dalla sua densità e dalla sua forma. Sebbene il materiale sia sospeso nel flusso d’aria, i contatti con le pareti delle condotte non sono ridotti a zero ed aumentano dove le tubazioni presentano delle curve.

In fase progettuale deve quindi essere attentamente considerata la friabilità e l’abrasività del materiale. In un sistema di trasporto pneumatico in fase diluita standard l’aria ha velocità minima nella zona iniziale del percorso, che è considerata dai tecnici l’area più critica. Proprio qui infatti il materiale viene immesso e deve essere immediatamente “catturato” dal flusso, evitando intasamenti. Il funzionamento è a velocità relativamente alte e con un differenziale di pressione non elevato. Nella progettazione in fase diluita bisogna anche tener conto della temperatura dell’aria, dell’umidità e dell’altitudine a cui è collocato l’impianto.

Modalità di trasporto

Ci sono essenzialmente due modalità per muovere il materiale. Nel trasporto a volo la concentrazione del materiale nel flusso è bassa, quindi le particelle viaggiano galleggiando lungo tutto il percorso. Con un’adeguata progettazione è una modalità flessibile ed adatta per qualsiasi materiale di qualsiasi peso specifico. Con la modalità fluidizzante nella parte alta della tubazione c’è materiale trasportato al volo, sul fondo ne rimane la maggior parte spostata per scorrimento. Si può utilizzare solo con materiali molto fini ed asciutti, che permettano all’aria di passare fra le particelle e farle fluire.

Tubo trasparente pieno di materiale che scorre all'interno

Trasporto pneumatico fase diluita in pressione

È la tipologia più comune per spostare polveri e granuli. Molto usata per materiali non friabili, a bassa abrasività e con peso specifico non elevato, non è adatta per i prodotti miscelati. Esempi tipici sono farine, zuccheri, granuli di plastica, bicarbonato di sodio ed ossido di zinco. Nella parte iniziale del sistema un generatore di aria compressa a bassa pressione, come una soffiante a lobi o a canale laterale, immette moltissima aria. Il materiale è poi introdotto delle tubazioni tramite una valvola o una pompa a vite. È un sistema semplice, economico ed ideale per spostare materiale da una singola fonte a più punti di arrivo.

Trasporto pneumatico fase diluita in aspirazione

Nonostante questo tipo di trasporto pneumatico in fase diluita sia meno efficiente, ha caratteristiche che lo rendono adatto a situazioni particolari. Ad esempio quando non sia disponibile molto spazio per l’installazione di altre tipologie di macchine come valvole rotanti o propulsori. È anche indicato per aspirare materiale da sorgenti multiple e dirigerlo verso una singola destinazione, oppure quando si vogliano percorrere distanze brevi a basse portate. Si rivela una scelta appropriata per movimentare materiali che tendono a compattarsi e comprimersi sotto pressione (come trucioli di legno e materiali fibrosi) e per sostanze tossiche che non devono assolutamente disperdersi nell’ambiente.

Trasporto in fase densa

Qui un’analogia per cogliere come funziona il trasporto pneumatico può essere quella della produzione delle salsicce. La carne macinata viene spinta dentro l’involucro esterno in un lungo flusso continuo. C’è però una differenza. Per convogliare materiali attraverso un sistema di trasporto pneumatico in fase densa bisogna tener conto dell’attrito contro le pareti dei tubi. Questo fattore impone delle limitazioni alla lunghezza del flusso ed alla porzione di sezione di tubo occupata.

Esistono diversi tipi di trasporto in fase densa, tutti funzionanti a differenziali di pressioni relativamente alti e a velocità dell’aria non troppo elevate. Queste caratteristiche ne fanno la scelta ideale per preservare l’integrità dei materiali, anche nel caso di miscele composte da più elementi. La bassa velocità è indicata per prodotti molto fragili come riso, fibra di vetro o atomizzati ceramici. Inoltre la limitata quantità di gas utilizzato non disperde le sostanze volatili, conservando l’aroma di prodotti come caffè o semi di cacao. Se il sistema poi viene alimentato con gas inerti al posto dell’aria, si evita l’ossidazione dei prodotti ed è possibile operare in ambienti classificati ATEX. Può anche trasportare sostanze liquide o viscose. Altra caratteristica è la bassa rumorosità.

Modalità di trasporto

Nel trasporto pneumatico in fase densa, definito anche trasporto pneumatico non in sospensione, esistono tre modalità con cui il materiale si muove all’interno del sistema. Nella prima, detta a tappi, il materiale occupa tutta la sezione della conduttura intervallato da “blocchi” di aria, in una continua alternanza aria materiale. Questo tipo di movimentazione è dedicato a sostanze che permettono all’aria di passare rapidamente attraverso gli interstizi o fra i piccoli elementi della sostanza stessa. Succede così ad esempio con sementi, pellet di materie plastiche e tutti i materiali che hanno elementi più o meno delle medesime dimensioni.

La seconda modalità di funzionamento di questo trasporto pneumatico prevede che il materiale scorra sulla parte bassa del tubo raccolto in gruppi; piccole dune che si spostano verso la destinazione. Questa tecnologia è la soluzione ottimale per polveri molto fini, con particelle di diametro dell’ordine di alcune decine di micrometri.

Nel caso in cui si debbano muovere materiali con elevata tendenza a coagularsi e quindi a bloccare la conduttura, si adotta una soluzione definita a tamponi. All’interno del condotto principale scorre un tubo di piccolo diametro che trasporta sola aria. Da questa seconda tubazione, tramite un sistema di comunicazione, si immette aria a determinati intervalli lungo il percorso, aumentando così la fluidificazione del materiale. Una variante, detta ad intermittenza, prevede che il tubo che trasporta l’aria scorra esternamente alla conduttura principale. La comunicazione fra i due avviene ad intervalli regolari tramite apposite valvole, che creano un getto d’aria all’interno del condotto del materiale. Il risultato è analogo: si mantiene il distacco fra gli strati del materiale per una miglior fluidificazione.

Sistema di condotte metalliche per il trasporto pneumatico

Trasporto pneumatico fase densa in pressione

Per attuare il trasferimento si utilizza un serbatoio opportunamente progettato e dotato di valvole di aspirazione materiale e di sfogo. Questo serbatoio è riempito di materiale, le valvole vengono poi chiuse e si immette l’aria compressa all’interno. La funzione dell’aria compressa è di spingere il materiale dal serbatoio alla destinazione attraverso la linea di trasporto. Una volta che serbatoio e linea sono vuoti, il flusso d’aria compressa è interrotto ed il serbatoio viene ricaricato. Il ciclo continua finchè tutto il materiale non sia stato trasferito.

Per vincere la resistenza del materiale contro le pareti dei tubi si possono utilizzare degli iniettori supplementari di aria posti lungo la linea di trasporto. Aggiungere aria evita la formazione di voluminosi accumuli di materiale dovuti a cali nella pressione o nel volume del gas. Si elimina così la necessità di smontare la linea per rimuovere eventuali tappi creatisi. Con questi iniettori si riduce anche il volume aggiuntivo di aria che il progettista deve sommare affinchè il sistema abbia a disposizione un volume maggiore, rispetto a quello strettamente necessario, per compiere il lavoro.

La conseguenza è che complessivamente il consumo energetico del sistema si riduce. Gli iniettori permettono anche di avviare il sistema in maniera più dolce, limitando l’usura dei componenti ed evitando la frammentazione dei materiali più friabili. Sostanze comunemente trasportati con la fase densa in pressione sono: sabbia di silice, ceneri, allumina, sorbitolo, destrosio, nocciole, caramelle e riso soffiato.

Trasporto pneumatico fase densa in aspirazione

Usando pompe ad alto vuoto, poste nella parte terminale del sistema di trasporto pneumatico, si crea il vuoto nelle tubazioni, rendendo possibile il movimento delicato di blocchi di materiale, a pressioni sub-atmosferiche. Il risultato è un sistema di trasporto pneumatico che funziona in modo semplice, che minimizza l’attrito, con bassi consumi, poca manutenzione ed un investimento iniziale contenuto.

I materiali più adatti ad essere movimentati con la fase densa in aspirazione sono quelli fragili e quelli abrasivi. Ad esempio zucchero, cibi per animali, pellet plastici, detersivi o granuli di carbonio. È molto spesso usato per le operazioni di svuotamento di polveri e granuli trasportate su camion e vagoni ferroviari.

Trasporto in fase semi densa

È la tipologia di trasporto pneumatico meno diffusa. La velocità dell’aria si attesta grossomodo fra quella utilizzata nella fase diluita e quella dei sistemi in fase densa. Le particelle più leggere del prodotto vengono trasportate come nel trasporto in fase diluita, mentre quelle più pesanti vengono trasportate a “blocchi”.

Il sistema è configurato come quelli in fase densa, ma usa contenitori a pressione a fondo fluidificante. Riesce così a gestire polveri semi abrasive e polveri che necessitano di una preventiva areazione per essere scaricate nella linea di trasporto. Esempi tipici sono il cemento e le ceneri volanti.

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