IT202000030272A1 - “metodo di tintura economico ed a basso impatto ambientale, ed impianto di applicazione” - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
dell'invenzione industriale avente per titolo:
?Metodo di tintura economico ed a basso impatto ambientale, ed impianto di applicazione?
La presente invenzione concerne un metodo di tintura economico ed a basso impatto ambientale, ed impianto di applicazione.
Negli ultimi anni il consumo mondiale di energia ha evidenziato una crescita continua non solo nei Paesi gi? industrializzati ma anche, e soprattutto, nei Paesi emergenti. Il fabbisogno energetico, soddisfatto dalla combustione dei combustibili fossili, ha creato un incremento delle emissioni di anidride carbonica e ossidi di azoto in atmosfera.
La maggiore attenzione verso la qualit? dell?aria, componente essenziale per una soddisfacente qualit? della vita, ha spinto e sta spingendo la ricerca verso nuovi sistemi di combustione efficienti ma eco-compatibili, creando una protezione a lungo termine per l?ambiente.
Non ? pi? sufficiente migliorare il processo produttivo con sistemi di depurazione durante le varie fasi del processo, ma occorre spingersi nella ricerca di fonti alternative con impatto ambientale almeno ridotto, in modo da spezzare l'equazione ?energia = inquinamento?.
Nel campo del tessile, diventa sempre pi? importante sviluppare nuove tecnologie tintoriali per rendere il ciclo di colorazione delle fibre il meno inquinante possibile, con un consumo di energia elettrica necessariamente inferiore.
Le normative riguardanti lo scarico dei reflui ed i severi controlli sulle emissioni nell?atmosfera costringono l?industria tessile ad affrontare seriamente questi problemi. L?obbligo di essere all?avanguardia per quanto riguarda la certificazione dei prodotti e della produzione ha comportato necessariamente un aumento dei costi di produzione.
Quindi, qualunque soluzione innovativa deve avere come obbiettivo sia la riduzione dei consumi energetici che una riduzione dell?impatto ambientale: un minor consumo energetico si ottiene aumentando l?efficienza del sistema riducendo le perdite, con l?utilizzo di sorgenti alternative.
Una minore emissione di anidride carbonica o possibilmente un sistema a zero emissioni, si ottiene utilizzando ?positivamente? il prodotto di scarto, in modo da avere un impatto ambientale nullo.
Si tratta di un argomento d?attualit? in un?epoca in cui le imprese tessili devono integrarsi in questa lotta ecologica nella loro strategia e di conseguenza nei loro investimenti.
La tintoria, ottimizzando i cicli produttivi, ? pur sempre legata al processo tintoriale classico, con il riscaldamento del bagno di tintura tramite vapore riscaldato e utilizzo di coloranti e acidi altamente inquinanti.
Il processo tintoriale ? una delle operazioni pi? importanti nel ciclo di lavorazione delle fibre tessili e una buona colorazione, stabile nel tempo, ? una delle caratteristiche merceologiche essenziali per il prodotto finale.
Le fibre tessili maggiormente impiegate a livello mondiale possono essere cos? suddivise:
? cotone e fibre cellulosiche (circa il 60%);
? fibre proteiche tipo lana (circa il 20%);
? fibre artificiali con gruppi chimici polari acrilici o poliammidici (circa il 15%);
? fibre sintetiche neutre di poliestere (circa il 5%).
Nel processo di tintura delle fibre cellulosiche, i coloranti maggiormente impiegati sono quelli reattivi o diretti.
L?applicazione di questi coloranti ? generalmente preceduta da una fase di preparazione effettuata in ambiente fortemente alcalino, ad una temperatura intorno ai 100?C.
Prima di iniziare il processo di tintura vero e proprio, ? necessario provvedere alla neutralizzazione del bagno, ovvero la modifica del pH inizialmente fortemente alcalino.
Attualmente si utilizzano acidi organici (acido acetico) e soprattutto nelle fasi di post tintura si rende necessario la neutralizzazione del bagno poich? la tintura viene sviluppata in ambiente alcalino.
Nella tintura delle fibre proteiche e di quelle con gruppi polari, l?applicazione di coloranti avviene in ambiente acido prodotto per aggiunta di acido acetico, e anche la tintura delle fibre di poliesteri necessita di un ambiente leggermente acido per prevenire il degrado di alcuni prodotti coloranti.
EP-0427169 ed EP-0436874 descrivono un impianto di tintura con mezzi di combustione a metano in cui i fumi della combustione vengono scaricati tramite un collettore. In EP-0436874 i fumi vengono eventualmente raffreddati tramite una unit? di raffreddamento.
JP-2004249175 descrive un metodo per il riciclo di anidride carbonica (CO2) in un processo di tintura, in cui ? prevista una fase di compressione fino all?ottenimento di una fase liquida in cui l?anidride carbonica viene raccolta in un serbatoio per poi essere aggiunta in un bagno di tintura.
CN-107099995 descrive un processo di tintura in cui l?anidride carbonica viene recuperata in soluzioni di carbonato di sodio.
Svantaggiosamente le proposte soluzioni di recupero di anidride carbonica risultano complicate, inefficienti e pericolose in un impianto di tipo industriale.
Scopo della presente invenzione ? realizzare un metodo di tintura economico ed a basso impatto ambientale, in cui i fumi della combustione vengano riciclati.
Ulteriore scopo della presente invenzione ? che detti fumi di scarico svolgano una funzione attiva nel processo chimico di tintura.
In accordo con l?invenzione detti ed ulteriori scopi sono raggiunti con un metodo di tintura di fibre tessili, comprendente una fase di preparazione in ambiente alcalino ed una fase di applicazione di almeno un colorante, in cui ? prevista una fase di neutralizzazione dell?alcalinit? prima della fase di applicazione dell?almeno un colorante, caratterizzato dal fatto che la fase di neutralizzazione avviene mediante acido carbonico ottenuto per condensazione acquosa di fumi di anidride carbonica prodotti con la combustione di gas metano, in cui il calore prodotto dalla combustione viene usato per scaldare un bagno di tintura.
Ancora ulteriore scopo della presente invenzione ? realizzare un impianto di tintura idoneo ad applicare detto metodo di tintura, detto impianto dovendo essere semplice da costruire, economico nella manutenzione e sicuro per gli operatori.
In accordo con l?invenzione detto ancora ulteriore scopo ? raggiunto con un impianto di tintura di fibre tessili, per l?applicazione del metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una autoclave di tintura, una pompa di circolazione di un bagno di tintura, un bruciatore di tipo a gas metano ed uno scambiatore di calore atto a riscaldare il bagno di tintura con il calore prodotto dalla combustione del gas metano,
caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un condensatore di fumi atto a condensare i fumi prodotti dal bruciatore in una soluzione acquosa acida, un serbatoio di raccolta della soluzione acquosa acida, ed una pompa di dosaggio della soluzione acquosa acida in base al valore di acidit? del bagno di tintura fornito da un misuratore di pH.
Vantaggiosamente il metodo di tintura sopra descritto e il suo impianto di applicazione permettono di ottenere:
? eco-compatibilit? di tintura;
? un consumo di acqua ridotto del 28%;
? un consumo di energia termica ed elettrica ridotti del 35%;
? un risparmio del 20% sui costi dei prodotti chimici;
? una maggiore competitivit? a livello mondiale per la possibilit? di eseguire delle tinture di piccole partite su richiesta del cliente in tempi veramente brevi (just in time);
? impianti indipendenti, autonomi, non legata alle necessit? della tintoria. L?innovazione consiste essenzialmente dell?uso:
? di un generatore di energia termica non pi? ridotto ad un classico serpentino riscaldato a vapore, ma consistente in un bruciatore alimentato a gas metano che va a riscaldare direttamente il bagno di tintura;
? della CO2 ottenuta dalla combustione come componente attivo nella reazione chimica nel bagno di tintura.
Infatti, sfruttando i fumi della combustione carichi di CO2, la reazione chimica di tintura che necessita di grandi quantit? di acido acetico, evolve utilizzando i fumi della combustione carichi di anidride carbonica.
In tal modo si sfrutta totalmente l?energia termica impiegata creando un?emissione di CO2 praticamente nulla.
Ci? comporta un miglioramento dell?ambiente di lavoro per il personale addetto e dell?ambiente che ci circonda, riducendo di conseguenza la quantit? di acqua da depurare e i fumi inquinanti che si disperdono nell?atmosfera.
L?utilizzo dell?anidride carbonica come componente fondamentale della reazione chimica in sostituzione dell?acido acetico permette di eliminare l?introduzione di acidi nelle varie fasi del processo tintoriale, raggiungendo livelli di impatto ambientale molto bassi.
Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione saranno rese maggiormente evidenti dalla seguente descrizione dettagliata in un suo esempio di realizzazione pratica illustrato a titolo non limitativo nei disegni allegati, in cui:
la figura 1 mostra una vista in pianta dall?alto di un impianto di tintura;
la figura 2 mostra una vista laterale dell?impianto di tintura;
la figura 3 mostra una vista in sezione secondo la linea III-III di figura 2.
Un impianto di tintura 10 di fibre tessili, per esempio cotone, fibre cellulosiche, fibre proteiche tipo lana, fibre artificiali con gruppi chimici polari acrilici o poliammidici e fibre sintetiche neutre di poliestere, comprende un?autoclave di tintura 1, una pompa di circolazione 2 di un bagno di tintura, un bruciatore 3 di tipo a gas metano, uno scambiatore di calore 4 ed un condensatore di fumi 5 (figure 1-3).
L?impianto di tintura 1 comprende inoltre una pompa di dosaggio 6 di acqua acida, un serbatoio 7 di raccolta dell?acqua acida ed un misuratore di pH 8 per il controllo del valore di acidit? del bagno di tintura.
Nell?autoclave di tintura 1 sono alloggiate pile di rocche 9 associate ad aste 11 (figura 2).
L?impianto di tintura 10 comprende un condotto di mandata 12 di liquido di tintura, ed un condotto di scarico 13 del liquido di tintura.
Operativamente la combustione del gas metano nel bruciatore 3 produce energia termica che serve a riscaldare il liquido del bagno di tintura nello scambiatore di calore 4.
Detto liquido scaldato viene pompato verso l?autoclave di tintura 1 attraverso il condotto di mandata 12.
La reazione di combustione produce fumi di anidride carbonica (CO2) che viene convogliata nel condensatore di fumi 5 in cui i fumi vengono investiti da acqua proveniente dall?esterno. Ugelli 51 polverizzano l?acqua in ingresso nel condensatore di fumi 5 agevolando la reazione dei fumi con l?acqua ad una temperatura compresa tra 40?C e 60?C, preferibilmente di 50?C.
Complessivamente si realizza la seguente reazione chimica:
CH4 2O2 = 2 H2O CO2 = H2CO3 H2O
La combustione del gas metano produce quindi acido carbonico (H2CO3) e acqua. Nella sostanza di ottiene acqua acida (soluzione acquosa acida) con un recupero di circa l?80% dei gas combusti.
Detta acqua acida viene raccolta nel serbatoio 7 e diventa una sorgente di acidit? alternativa all?acido acetico, idonea a modificare il pH del bagno di tintura.
Il condensatore di fumi 5 viene realizzato in modo da contenere una quantit? di anidride carbonica idonea all?evoluzione della reazione di tintura come sar? pi? chiaro nel seguito.
L?acqua acida contenuta nel serbatoio 7 ? satura di acido carbonico.
La pompa di dosaggio 6 introduce l?acqua acida nel condotto di mandata 12 avviando la neutralizzazione dell?alcalinit? prodotta dal carbonato di sodio (Na2CO3) presente nel bagno di tintura, secondo la presente reazione:
Na2CO3 H2CO3 = 2 NaHCO3
L?introduzione dell?acqua acida provoca anche la neutralizzazione della soda caustica (NaOH), secondo la seguente reazione:
H2CO3 NaOH = NaHCO3 H2O Conseguentemente la produzione di acido carbonico derivante dalla combustione del gas metano permette la neutralizzazione dell?alcalinit? utilizzata nell?intero processo di tintura.
Si ricorda che nel processo di tintura l?applicazione di coloranti ? generalmente preceduta da una fase di preparazione effettuata in ambiente fortemente alcalino.
Per realizzare il processo di tintura ? necessario abbattere detta alcalinit?, ovvero neutralizzare il bagno di tintura.
Vantaggiosamente il procedimento sopra descritto permette di neutralizzare il bagno di tintura usando acido carbonico derivante dalla condensazione dei fumi di combustione.
Nel seguente esempio di realizzazione si comprender? l?entit? del risparmio energetico ottenuto.
Consideriamo un processo di tintura di fibre cellulosiche nell?impianto di tintura 1 sopra descritto ed illustrato nelle figure 1-3.
Il colorante ? di tipo reattivo.
Per ogni kg di merce vengono utilizzati circa 10 lt (litri) di acqua riscaldata a 90?C (tramite lo scambiatore di calore 4).
Considerando una temperatura media dell?acqua di processo di 20?C (temperatura ambiente), il fabbisogno termico ? di circa 2100 kcal (chilocalorie).
Ipotizzando un rendimento del 75% nel caso di un utilizzo classico di vapore come fonte energetica, si ha gi? un risparmio iniziale del 20% solo utilizzando un fonte diretta per il riscaldamento quale il bruciatore 3 a gas metano.
L?autoclave di tintura 1 viene caricata con 480 kg di materiale (per esempio un?autoclave di tintura con sigla GDH 500 per rocche), utilizzando quindi 4850 litri di acqua (10lt * 480, in cui da qui in poi il simbolo * corrisponde all?operazione di moltiplicazione).
Si realizza un riscaldamento del bagno di tintura da 20?C a 100?C in 40 minuti, in conformit? con l?uso corrente di gradienti di 2 gradi al minuto. Il gradiente totale ? di 80?C.
La quantit? di calore richiesta per ogni fase di riscaldamento ?:
Qr = 4850 * 80 = 388000 kcal
Utilizzando il bruciatore 3 a gas metano con un rendimento del 92% otteniamo un consumo di metano pari a:
Cm = 388000/8500 * 1/0,92 = 49,6 m<3 >(metri cubici)
Si evidenzia che da letteratura scientifica, 8500 corrisponde al calore (kcal) sviluppato da un metro cubo di gas metano.
Procedendo con un ciclo tintoriale di tre fasi di lavaggio e riscaldamento, si consuma la seguente quantit? totale di metano:
Ct = Cm * 3 = 148,8 m<3>
Utilizzando una caldaia a vapore con un rendimento del 90%, che scende al 75% considerando la perdita di energia lungo le tubazioni ed i tempi di attesa, si dovrebbe utilizzare la seguente quantit? di metano:
Cmv = 388000/8500 * 1/0,75 = 66,1 m<3 >(metri cubici)
Con le stesse tre fasi si consumerebbero:
Ctv = Cmv * 3 = 198,3 m<3>
Ne consegue un risparmio di circa 50 m<3 >di metano, ovvero oltre il 30%.
Semplicemente usando il metano come fonte di calore diretta.
In aggiunta i fumi prodotti permettono una completa neutralizzazione del bagno di tintura, ovvero non ? necessario l?uso di una diversa sorgente di acidit? come per esempio l?acido acetico.
Come gi? detto la combustione del metano avviene secondo la seguente reazione:
CH4 2O2 = 2 H2O CO2 = H2CO3 H2O
I valori ponderali (peso molecolare) sono i seguenti:
CH4 = 18.
H2CO3 = 64.
Si ottiene la seguente proporzione:
18 : 64 = 0,2 : x
in cui x ? la quantit? di acido carbonico che risulta pari a (64*0,2)/18, ovvero 0,71 kg.
Ogni molecola di acido carbonico produce per dissociazione due atomi di idrogeno (H2).
Il grado di dissociazione dell?acido carbonico ? pari a quello dell?acido acetico (CH3COOH) che produce un solo atomo di idrogeno, quindi un grammomole di acido carbonico corrisponde a due grammomoli di acido acetico.
Considerando i seguenti valori ponderali (peso molecolare):
CH3COOH = 120.
H2CO3 = 64.
Peso dell?acido acetico = 0,5 kg.
Si ottiene la seguente proporzione:
120 : 64 = 0,5 : x,
in cui x ? la quantit? di acido carbonico che risulta pari a (64*0,5)/120, ovvero 0,266 kg di acido carbonico che corrispondono a 0,5 kg di acido acetico.
Quindi 0,2 kg di gas metano producono 0,71 kg di acido carbonico che corrispondono a 2,6 kg di acido acetico (0,71/0,266).
Questo acido carbonico viene utilizzato per la neutralizzazione dell?alcalinit? prodotto da carbonato di sodio (Na2CO3), secondo la seguente reazione:
Na2CO3 H2CO3 = 2NaHCO3
Considerando i seguenti pesi molecolari:
Na2CO3 = 126.
H2CO3 = 64.
Si ottiene la seguente proporzione:
126 : 64 = x : 0,71
in cui x ? la quantit? di carbonato di sodio che risulta pari a (0,71*126)/64, ovvero 1,4 kg.
Quindi con 0,71 kg di acido carbonico si neutralizzano ben 1,4 kg di carbonato di sodio, ovvero ben pi? della quantit? di carbonato di sodio presente nel bagno di tintura pari in questo esempio di realizzazione a circa 100 grammi (10 grammi per litro).
L?acido carbonico in eccesso viene utilizzato per neutralizzare anche la soda caustica (NaOH) secondo la seguente reazione:
H2CO3 NaOH = NaHCO3 H2O
Considerando i seguenti pesi molecolari:
NaOH = 49.
H2CO3 = 64.
Si ottiene la seguente proporzione:
49 : 64 = x : 0,71
in cui x ? la quantit? di soda caustica che risulta pari a (0,71*49)/64, ovvero 0,54 kg.
Quindi con 0,71 kg di acido carbonico si neutralizzano 0,54 kg di soda caustica sodio, ovvero ben pi? della quantit? di soda caustica presente nel bagno di tintura nel presente esempio di realizzazione pari a circa 5 grammi (0,5 grammi per litro).
Un kg di gas metano corrisponde a 1,5 litri di metano.
I circa 150 litri di gas metano necessari nell?esempio corrispondano a circa 100 kg, ovvero una quantit? pi? che sufficiente alla neutralizzazione dell?alcalinit? utilizzata nell?intero processo di tintura.
Come evidenziato l?impianto di tintura 1 comprende un misuratore di pH 8 utile a dosare la giusta quantit? di acqua acida dal serbatoio 7.
Anche nel caso di un ciclo di tintura di fibre proteiche, in cui il rapporto tra merce e bagno ? di 1 a 20 (1 kg di merce e 20 litri di acqua), l?acido carbonico ? in grado di sviluppare un pH equivalente a quello dell?acido acetico, ovvero compreso tra 4,5 e -5,5. La reazione di combustione ? in grado di produrre una sufficiente acidit? necessaria allo svolgimento della tintura.
Vantaggiosamente il metodo di tintura sopra descritto e il suo impianto di applicazione permettono di ottenere:
? eco-compatibilit? di tintura;
? un consumo di acqua ridotto del 28%;
? un consumo di energia termica ed elettrica ridotti del 35%;
? un risparmio del 20% sui costi dei prodotti chimici;
? una maggiore competitivit? a livello mondiale per la possibilit? di eseguire delle tinture di piccole partite su richiesta del cliente in tempi veramente brevi (just in time);
? impianti indipendenti, autonomi, non legata alle necessit? della tintoria. L?innovazione consiste essenzialmente dell?uso:
? di un generatore di energia termica non pi? ridotto ad un classico serpentino riscaldato a vapore, ma consistente in un bruciatore alimentato a gas metano che va a riscaldare direttamente il bagno di tintura;
? della CO2 ottenuta dalla combustione come componente attivo nella reazione chimica nel bagno di tintura.
Infatti, sfruttando i fumi della combustione carichi di CO2, la reazione chimica di tintura che necessita di grandi quantit? di acido acetico, evolve utilizzando i fumi della combustione carichi di anidride carbonica.
In tal modo si sfrutta totalmente l?energia termica impiegata creando un?emissione di CO2 praticamente nulla.
Ci? comporta un miglioramento dell?ambiente di lavoro per il personale addetto e dell?ambiente che ci circonda, riducendo di conseguenza la quantit? di acqua da depurare e i fumi inquinanti che si disperdono nell?atmosfera.
L?utilizzo dell?anidride carbonica come componente fondamentale della reazione chimica in sostituzione dell?acido acetico permette di eliminare l?introduzione di acidi nelle varie fasi del processo tintoriale, raggiungendo livelli di impatto ambientale molto bassi.
Claims (5)
1. Metodo di tintura di fibre tessili, comprendente una fase di preparazione in ambiente alcalino ed una fase di applicazione di almeno un colorante, in cui ? prevista una fase di neutralizzazione dell?alcalinit? prima della fase di applicazione dell?almeno un colorante, caratterizzato dal fatto che la fase di neutralizzazione avviene mediante acido carbonico ottenuto per condensazione acquosa di fumi di anidride carbonica prodotti con la combustione di gas metano, in cui il calore prodotto dalla combustione viene usato per scaldare un bagno di tintura.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la condensazione acquosa avviene polverizzando acqua in un condensatore di fumi (5) ad una temperatura compresa tra 40?C e 60?C, preferibilmente pari a 50?C.
3. Metodo secondo le rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che l?acido carbonico viene conservato in una soluzione acquosa acida all?interno di un serbatoio (7).
4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un controllo costante dell?acidit? del bagno di tintura.
5. Impianto di tintura (10) di fibre tessili, per l?applicazione del metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una autoclave di tintura (1), una pompa di circolazione (2) di un bagno di tintura, un bruciatore (3) di tipo a gas metano ed uno scambiatore di calore (4) atto a riscaldare il bagno di tintura con il calore prodotto dalla combustione del gas metano,
caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un condensatore di fumi (5) atto a condensare i fumi prodotti dal bruciatore (3) in una soluzione acquosa acida, un serbatoio (7) di raccolta della soluzione acquosa acida, ed una pompa di dosaggio (6) della soluzione acquosa acida in base al valore di acidit? del bagno di tintura fornito da un misuratore di pH (8).
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