Scelta della strumentazione

Dopo aver vagliato tutte le diverse tipologie di misuratori di portata si è deciso di scegliere la strumentazione più adatta per l’impianto produttivo dello spread bio oil ed, in particolare, la scelta è ricaduta su un misuratore volumetrico ad ultrasuoni e un misuratore massico a effetto Coriolis, che di seguito vengono spiegati più in dettaglio.

Per quanto riguarda i misuratori di livello essi sono in pratica tutti identici nel funzionamento per cui si fa riferimento ad uno qualunque di essi.

Dall’analisi dell’impianto di produzione dello Spread Bio Oil, si sono potuti individuare una serie di criticità lungo il processo, tali da richiedere uno studio approfondito dei dispositivi da impiegare per la misurazione dei parametri che permettano di ottenere un prodotto con le caratteristiche dovute.

Se per i misuratori di portata e livello si sono trovate le soluzioni più adatte al sistema, per quanto riguarda i misuratori di viscosità nessuno rispondeva allo scopo per cui si è pensato di costruirne uno ad hoc, e questa scelta ovviamente ha richiesto l’impegno e l’approfondimento della tematica.

In ogni caso l’obiettivo, per ognuna di queste fasi del processo, è che la digitalizzazione dei segnali permetta di monitorare l’intero processo e, soprattutto, di tener traccia dei parametri valutati nelle diverse criticità.

4.5.1. Misuratore di portata ad ultrasuoni

Nell’attraversamento di una qualunque ostruzione inserita in una condotta, il fluido subisce una variazione di pressione Δp proporzionale al quadrato della portata volumetrica Q, per cui, misurando la caduta di pressione si può risalire al valore di Q. Il legame funzionale tra Δp e Q dipende dalla geometria dello strozzamento e dal moto del fluido, cioè dal numero di Reynolds e, per misure accurate, deve essere ricavato sperimentalmente.

In particolare, i misuratori ad ultrasuoni sono basati sull’impiego di trasduttori, generalmente di tipo piezoelettrico, che svolgono la funzione di trasmettitori/ricevitori di onde ultrasoniche (f = 1-10 MHz), le quali si propagano nel fluido con velocità c±V, essendo c la velocità di propagazione del suono nel mezzo considerato e V la velocità del fluido.

Tra le numerose configurazioni possibili una delle più utilizzate prevede l’impiego di una coppia di trasduttori posti all’esterno della tubazione, che trasmettono e ricevono alternativamente le onde ultrasonore nei due sensi, favorevole e contrario alla corrente fluida. Indicando con L il tragitto percorso dalle onde, il tempo di transito (o la frequenza di ripetizione degli impulsi) nei due sensi vale, rispettivamente

Per cui, noti L e θ, dalla misura dell’intervallo di frequenza o dell’intervallo di tempo, si può determinare V. La misura del Δt anziché del Δf presenta l’inconveniente di dipendere dal valore di c: il valore Δt risulta molto piccolo essendo c elevato. Inoltre, poiché c dipende dalla temperatura, una variazione di questa introduce un errore nella misura non trascurabile, poiché c compare al quadrato.

La velocità V misurata è in realtà l’integrale delle velocità del fluido lungo il percorso delle onde, per cui il suo valore dipende dal profilo delle velocità nella sezione di misura. Un vantaggio non trascurabile del misuratore ad ultrasuoni deriva dall’assenza di ostruzioni alla corrente fluida. Gli svantaggi derivano dalla già̀ citata sensibilità̀ al profilo di velocità e dalla necessità che il fluido sia “pulito”.

Figura 39: Misuratore ad ultrasuoni

Un’altra tipologia di strumenti basati sull’impiego di onde ultrasonore è costituita dai misuratori doppler ad ultrasuoni. Essi, analogamente a quanto visto per l’anemometro laser doppler, richiedono la presenza di particelle riflettenti in seno al fluido. Il principio di funzionamento è basato sulla deviazione di un fascio di onde ultrasonore ad opera delle particelle trascinate con il fluido e sul conseguente spostamento della frequenza per effetto Doppler. Dalla misura della variazione di frequenza tra l’elemento trasmettitore e quello ricevitore, si ottiene una misura locale della velocità del fluido:

4.5.2. Misuratore ad effetto Coriolis

In molte applicazioni, la misura della portata in massa è più significativa di quella in volume. Nelle industrie in cui si svolgono processi chimici la portata massica è spesso la quantità significativa.

Per la misura della portata in massa si è scelto si utilizzare un misuratore ad effetto Coriolis, brevemente descritto e dettagliato in seguito.

Il misuratore ad effetto Coriolis è privo di ostruzioni, è essenzialmente insensibile alle variazioni di viscosità, pressione e temperatura del fluido e può essere utilizzato sia con liquidi che con gas.

Il suo principio di funzionamento è basato sulla coppia generata dall’accelerazione di Coriolis sviluppata dal fluido che passa attraverso un tubo a forma di C vincolato a mensola. Il tubo è

mantenuto in vibrazione flessionale stazionaria con un regime sinusoidale (alla sua frequenza propria, tra 50 Hz e 80 Hz, modellandolo come una trave a mensola) da un sistema magnetico retroazionato. Questo è un sistema di controllo auto-alimentato che lavora sempre in corrispondenza della frequenza propria della mensola (e quindi con richiesta di potenza minima), anche quando tale frequenza varia per effetto del cambiamento della densità̀ del fluido. Questo viene realizzato derivando il segnale del motore, che fornisce la forza, da un avvolgimento sensibile alla velocità, avvolto sulla medesima struttura su cui è posto l’avvolgimento del motore (pertanto, i due avvolgimenti condividono lo stesso nucleo magnetico). L’ampiezza viene stabilizzata col controllo retroazionato, che confronta la tensione dell’avvolgimento sensibile (velocità) con un segnale di riferimento imposto. La particolare configurazione meccanica (tipo “diapason”) minimizza la forza di vibrazione che si deve fornire al telaio.

Nella configurazione tipica, il vettore ω della velocità angolare del movimento oscillatorio prodotto dalla flessione del tubo a C attorno ai suoi supporti è ortogonale alla velocità V del fluido. I trasduttori di spostamento P1 e P2 (di tipo ottico o magnetico), collocati nei pressi della posizione neutra del tubo, sono di tipo on-off (dunque non di tipo proporzionale) e generano un impulso quando il tubo passa in corrispondenza della loro posizione. Il misuratore è in grado di rispondere in modo rapido a portate variabili; in pratica, tuttavia, al fine di migliorare l’accuratezza, la misura viene mediata su più̀ cicli.

La configurazione con tubo a C del misuratore ad effetto Coriolis è solo una delle possibili soluzioni costruttive.

4.5.3. Misuratore di livello

Dopo aver analizzato i diversi misuratori di livello e avendo trovato tra di essi diverse analogie, si è ritenuto irrilevante preferire un galleggiante piuttosto che un altro, in quanto svolgono tutti le stesse funzioni. L’unica caratteristica che è considerata necessaria è che ogni misura rilevata in segnale analogico venga trasformata, mediante opportuni dispositivi elettronici, in segnale digitale, così da permettere l’invio e la lettura dello stesso al controllore automatico.

4.5.4. Misuratore di viscosità

Per misurare la viscosità, dopo una lunga analisi dei misuratori di viscosità, non esistendo in commercio sistemi affidabili per la misurazione delle proprietà reologiche di un prodotto con le caratteristiche dell’organogel, si è proceduto con la realizzazione di un misuratore a pistone in laboratorio.

Essendo l’organogel un fluido particolare, non Newtoniano, si è costruito uno strumento in grado di misurare la sua viscosità a velocità costante, invece che a sforzo costante, opportunamente calibrato in laboratorio e simulato sperimentalmente nel laboratorio di Reologia e Ingegneria Alimentare dell’Università della Calabria. Questa scelta è stata dettata dal fatto che misurandola a forza costante si potrebbe incorrere in tempi troppo lunghi e incompatibili con le esigenze produttive.

Lo studio di questo nuovo dispositivo che soddisfi i requisiti richiesti è approfondito nei paragrafi successivi, partendo da una descrizione dettagliata del problema che è stato necessario risolvere.

4.6. Il problema del viscosimetro

Come già detto in precedenza, uno dei punti più critici di misurazione è la determinazione della viscosità che va misurata nell’impianto all’uscita del cristallizzatore per verificare che la rampa termica sia stata efficace nel realizzare l’organogel. La sola misura della temperatura, seppure prevista, non è infatti sufficiente a garantire la produzione dell’organogel con le proprietà strutturali desiderate. Pertanto sono temperatura e viscosità che, quando non soddisfano i valori scelti, comandano l’eventuale riciclo del prodotto al serbatoio di alimentazione del cristallizzatore dove viene riportato alla temperatura di 50°C e quindi processato nuovamente.

Per misurare la viscosità, l’idea è quella sfruttare il flusso del fluido in un annulus come descritto in Figura 41 in cui la resistenza al flusso è dovuta sia al flusso nel gap che alla