IT9021563A1 - Metodo per la rimozione di sostanze inquinanti in forma di gas, vapore o aerosol da un effluente gassoso. - Google Patents

Description

La presente invenzione si riferisce ad un metodo per la rimozione di sostanze inquinanti in forma di gas, vapore o aerosol da un effluente gassoso.

Nel seguito della descrizione e nelle successive rivendicazioni, con il termine di: "sostanza inquinante si intende indicare un qualsiasi composto chimico di uso industriale considerato nocivo per il suo impatto sull'ambiente e/o sugli organismi viventi. Dette sostanze comprendono, ad esempio, idrocarburi aromatici o alifatici, alcoli, aldeidi, chetoni, ossidi organici, ammine, esteri, eteri, glicoli, glicol-eteri, alogenuri alchilici o aromatici.

Con il termine di: effluente gassoso, si intende invece indicare un qualsiasi flusso gassoso in uscita dai processi produttivi e destinato allo scarico nell 'atmosfera.

Come è noto, numerosi composti chimici presentano caratteristiche di tossicità e pericolosità tali che le attuali normative anti-inquinamento ne impongono un limite massimo di concentrazione negli effluenti gassosi.

Questi limiti variabili da caso a caso, sono spesso dell'ordine di 1 - 50ppm, valori non facilmente raggiungìbili con elevati volumi di effluente.

Nel campo dell'industria in generale, ed in quello chimico e chimico-fine in particolare, si è andata sempre più affermando l'esigenza di avere a disposizione tecnologie che consentano di ridurre in modo affidabile ed al minimo costo di esercìzio la concentrazione delle sostanze inquinanti al di sotto dei limiti massimi consentiti dalla legge.

Una prima tecnologia impiegata a tale scopo nel settore effettua la rimozione delle sostanze inquinanti previa condensazione sulle superfici fredde di uno scambiatore dì calore ovvero mediante raffreddamento operato per contatto diretto con un appropriato fluido freddo, generalmente acqua.

Questa tecnologia, sebbene attuabile con apparecchiature relativamente semplici, presenta il non trascurabile inconveniente che l'effluente gassoso in uscita dalle apparecchiature di condensazione contiene ancora e necessariamente una quantità resìdua dì sostanza inquinante, variabile in funzione sia della tensione di vapore della sostanza alla temperatura di condensazione, sia dell'azione meccanica di trascinamento operata dal flusso gassoso.

Questa quantità resìdua è in molti casi tale da superare i limiti massimi consentiti dalle normative.

Una seconda tecnologia Impiegata nel settore per rimuovere le sostanze inquinanti volatili da un effluente gassoso si basa sull'assorbimento di tali solventi con un appropriato liquido di lavaggio.

Anche in questo caso, l'effluente gassoso in uscita dalle apparecchiature di assorbimento (Scrubbers) contiene necessariamente una quantità residua di sostanza inquinante dipendente dal coefficiente di ripartizione di quest'ultima nel liquido di lavaggio e dall'azione di trascinamento operata dal flusso gassoso; si presentano quindi - in misura più o meno accentuata -gli inconvenienti più sopra evidenziati.

Una terza tecnologia messa a punto nel settore per rimuovere sostanze inquinanti da effluenti gassosi si basa sul loro adsorbimento selettivo mediante carbone attivo.

Sebbene questa metodica si riveli in molti casi idonea a ridurre la concentrazione degli inquinanti entro i limiti consentiti, essa si presenta nel contempo onerosa dal punto di vista gestionale ed economico.

Dopo un certo tempo, infatti, il carbone attivo si esaurisce, perde cioè, la sua capacità di adsorbimento e deve essere rigenerato, ad esempio con vapore, per riscaldamento sotto vuoto o con corrente calda di azoto.

La perdita di capacità adsorbente del carbone attivo non solo presuppone la presenza di due apparecchiature di adsorbimento in parallelo, ma anche la presenza di una serie di apparecchiature per la rigenerazione del carbone esaurito.

Per quanto riguarda le metodiche suddette di condensazione, di assorbimento e di adsorbimento è da rilevare infine che esse originano, oltre ad un flusso gassoso depurato, una miscela liquida: liquido di lavaggio - sostanza Inquinante, acqua di condensazione -sostanza inquinante che deve essere in qualche modo a sua volta opportunamente trattata per separare o per degradare il o i composti chimici indesiderati in essa contenuti con un aggravio notevole del costo complessivo dell'operazione di depurazione dell'effluente.

Il problema tecnico che sta alla base della presente invenzione è pertanto quello di mettere a disposizione un metodo per la rimozione di sostanze inquinanti in forma di gas, vapore o aerosol da un effluente gassoso che consenta di eliminare tali sostanze in modo sostanzialmente completo, risultando privo nel contempo degli inconvenienti lamentati con riferimento alla tecnica nota citata.

Questo problema viene risolto, secondo l’invenzione, da un metodo del tipo precedentemente indicato il quale si caratterizza per il fatto che detto effluente, comprendente dette sostanze inquinanti è sottoposto a raffreddamento ad una temperatura non superiore alla temperatura di congelamento di dette sostanze così da separarle per solidificazione da detto effluente.

E' stato infatti riscontrato che, raffreddando ad una temperatura sufficientemente bassa l'effluente gassoso, le sostanze inquinanti in forma di gas, vapore o aerosol in esso presenti vengono rimosse in modo sostanzialmente completo previa solidificazione.

La temperatura di raffreddamento dell'effluente può essere facilmente selezionata da un esperto del ramo in funzione delle proprietà chimico-fisiche dei composti chimici indesiderati presenti nell'effluente.

In generale essa è almeno pari alla temperatura dì congelamento del più basso bollente tra i composti da rimuovere. Temperature comprese tra -50 e -150°C possono essere impiegate per rimuovere la gran parte delle sostanze inquinanti di uso più comune a livello industriale, in tale campo dì temperatura si può ottenere, in particolare, la rimozione della totalità dei solventi organici impiegati industrialmente.

Il raffreddamento dell'effluente gassoso può essere effettuato con le modalità note nella tecnica, ad esempio tramite scambiatore di calore a superficie del tipo a tubi lisci o alettati ed impiegando opportuni fluidi frigorigeni.

Tra di essi possono essere impiegaci azoto liquido, freon, salamoie, ammoniaca, acqua di raffreddamento etc.

Mei caso in cui si operi con uno scambiatore di calore a fascio tubiero, il fluido frigorigeno percorre preferibilmente il lato tubi e l'effluente gassoso il lato mantello, cosi da consentire la solidificazione delle sostanze inquinanti sulla superficie esterna dei tubi.

L'impiego di azoto liquido risulta particolarmente vantaggioso ogni volta cbe è richiesto azoto gassoso, per esempio quale fluido di inertizzazione, nel processo produttivo a monte di un impianto per la rimozione delle sostanze inquinanti.

Il metodo della presente invenzione consente in tal modo di recuperare le frigorìe dell’azoto, immagazzinato in forma lìquida a circa -196°C, effettuando nel contempo la rimozione per solidificazione delle sostanze inquinanti presenti nell'effluente gassoso.

Si è inoltre riscontrato che all'interno dello scambiatore questa solidificazione avviene in modo differenziato in punti diversi dì esso in funzione della temperatura dì solidificazione delle sostanze. Tanto più la temperatura dì solidificazione è alta, tanto prima la sostanza inquinante si deposita sulla superficie fredda dello scambiatore, per esempio sull’esterno dei tubi percorsi dal fluido frigorigeno.

Questo consente, come meglio apparirà nel seguito della descrizione, una grossolana separazione, per solidificazione frazionata, delle varie sostanze inquinanti presenti nell'effluente gassoso da depurare.

Qualora si debba trattare un flusso continuo di un effluente gassoso inquinato, il metodo della presente Invenzione può essere attuato mediante due scambiatori di calore (solidificatori) in parallelo, uno in fase di rimozione e l'altro in fase di rigenerazione.

La solidificazione delle sostanze inquinanti, infatti, provoca un progressivo intasamento dello scambiatore in fase di rimozione, con un peggioramento sempre più accentuato dello scambio termico tra il fluido frigorigeno e l'effluente gassoso, fino al punto in cui la rimozione delle sostanze inquinanti a più bassa temperatura di solidificazione non è più garantita. Al raggiungimento di questa condizione limite si ha la commutazione tra lo scambiatore in fase di rigenerazione e quello in fase di rimozione. Questa commutazione può essere realizzata in modo di per sè noto, ad esempio tramite una valvola a tre vie asservita ad un misuratore della perdita di carico tra ingresso e uscita dello scambiatore di calore in fase di rimozione, ovvero tramite il controllo della temperatura dell'effluente in uscita da quest'ultimo scambiatore.

La rigenerazione degli scambiatori, in altre parole il recupero delle sostanze inquinanti solidificatesi sulle superfici fredde dello scambiatore, può avvenire con qualsiasi metodo noto nella tecnica, e preferibilmente sfruttando in parte od interamente la portata di effluente gassoso depurato scaricata nell'atmosfera.

In alternativa, tale rigenerazione può essere effettuata prelevando una portata prefissata di azoto dalla réte di stabilimento e sottoponendo quest'ultimo a riscaldamento ad una temperatura appropriata.

Come accennato più sopra, durante la rigenerazione è vantaggiosamente possibile recuperare gran parte delle sostanze Inquinanti presenti negli effluenti in stato gassoso sfruttando la solidificazione frazionata che si verifica nello scambiatore di calore in fase di rimozione. Tale recupero differenziato può essere effettuato prevedendo nello scambiatore una serie di bocchelli opportunamente distanziati tra loro.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno maggiormente dai seguenti esempi di realizzazione di essa dati, a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento ad un impianto per l'attuazione di esso, schematicamente illustrato negli allegati disegni in due varianti di realizzazione diverse.

Un impianto per la attuazione del metodo della presente invenzione, in una prima variante illustrata schematicamente in figura 1, comprende un deumidificatore 1, ad esempio uno scambiatore di calore a fascio tubiero, destinato a rimuovere l'umidità presente in un effluente gassoso F in ingresso all'impianto.

A tale scopo può essere impiegato un qualsiasi fluido freddo, in particolare acqua refrigerata. L'impianto comprende inoltre una valvola a tre vie 2, collegata in ingresso al deumidificatore 1 ed in uscita a due sezioni 3a, 3b dell'impianto, disposte in parallelo e destinate alla rimozione delle sostanze inquinanti presenti nell'effluente F.

Ciascuna di dette sezioni 3a, 3b comprende una coppia di scambiatori di calore 4a, 5a e 4b, 5b, disposti in serie.

Le sezioni 3a e 3b sono strutturalmente e funzionalmente equivalenti e sono, come detto, disposte in parallelo, in modo tale che mentre una è in fase di rimozione, l'altra è in fase di rigenerazione.

Gli scambiatori di calore 4a, 4b e 5a, 5b, di per sé noti, costituiscono rispettivamente: un recuperatore delle frigorie possiedute dall'effluente F depurato scaricato In atmosfera nonché raffreddatore dell'effluente F inquinato ed un solidificatore delle sostanze inquinanti.

Con 6a e 6b sono rispettivamente indicati misuratori della perdita di carico complessiva attraverso gli scambiatori di calore 4a, 4b e 5a, 5b, misuratori destinati a pilotare la valvola a tre vie 2.

Le varie parti dell'impianto testé illustrato hanno tra loro in comunicazione di fluido in modo di per sé noto, ad esempio tramite una serie di tubazioni coibentate.

Nella sezione in fase di rimozione, per esempio la 3a, l'effluente gassoso percorre in serie il recuperatore 4a, il solidificatore 5a e nuovamente il recuperatore 4a prima di èssere scaricato nell'atmosfera. In tale sezione i fluidi freddi, ( l'effluente depurato del recuperatore 4a e l’azoto liquido nel solidificatore 5a) 'percorrono 11 lato tubi, mentre il fluido da raffreddare percorre il lato mantello.

Nella sezione in fase di rigenerazione, 3b, il riscaldamento degli scambiatori 4b, 5b edn il recupero del le sostanze inquinanti solidificate per liquefazione di <esse avviene spillando una aliquota prefissata, Indicata con Sa dell'effluente F depurato nella sezione 3a.

In figura 1, con Sb è indicata una aliquota equivalente prelevata dalla sezione 3b quando quest'ultima è in fase di rimozione.

con c'a, c''a, c'b, c "b sono rispettivamente indicati i flussi delle sostanze inquinanti condensate separate negli scambiatori 4a, 5a, 4b e 5b rispettivamente.

Nella figura 2 è illustrata, con riferimento alla sola sezione 3a, una variante dell'impianto di figura 1 in cui l'azoto impiegato per la refrigerazione dell'effluente F è miscelato, dopo la sua gassificazione e relativa cessione di frigorie, con lo stesso effluente in un miscelatore 7a ed è quindi scaricato nell'atmosfera.

In questa ultima variante, la rigenerazione della sezione 3a viene effettuata impiegando azoto gassoso previamente riscaldato in uno scambiatore 8a a doppio tubo. Anche in questo caso, l'azoto viene scaricato in atmosfera dopo aver riscaldato gli scambiatori 4a e 5a.

con riferimento agli impianti schematicamente illustrati nelle figure 1 e 2, saranno ora riportati alcuni esempi di attuazione del metodo di rimozione secondo il presente trovato.

ESEMPIO 1

Una portata massica pari a 1181 kg/h di un effluente gassoso F avente una temperatura di circa 30°c e così costituita:

fu introdotta con mezzi di per sè noti, non rappresentati, nell'impianto schematicamente illustrato in figura 1.

Tale effluente gassoso F fu quindi raffreddato, nel raffreddatore 1, ad una temperatura di circa 7°C mediante una portata massica di circa 1900 kg/h di acqua refrigerata.

Quest' ultima subì un riscaldamento da 2°C a 12°C.

22 kg/h di acqua, furono cosi separati per condensazione nel raffreddatore 1.

L'effluente F, ora di portata pari a 1159 kg/h fu quindi immesso, tramite la valvola a tre vie 2, nella sezione 3a dell'impianto in fase di rimozione in cui attraversò in successione gli scambiatori di calore 4a e 5a, subendo successivi raffreddamenti da 7a -30°C e da -30 a -100°C rispettivamente.

Si è ottenuta in tal modo una separazione praticamente completa dall'effluente gassoso F del cloruro di metilene, dell'anidride carbonica e dell'umidità in esso presenti.

Più in particolare, il cloruro di metilene fu solidificato nello scambiatore di calore 5a mantenuto ad una temperatura di circa -100°C impiegando, lato tubi, una portata massica pari a 280 kg/h di azoto liquido entrante nello scambiatore ad una temperatura di -173°C ed una pressione di 7,7 bar ed uscente da esso ad una temperatura di -10°C ed a una pressione di 7 bar.

L'azoto gassoso cosi ottenuto fu quindi immesso nella rete di azoto di servizio alle varie utenze di stabilimento.

Dallo scambiatore 5a uscirono 1000 kg/h di/un effluente gassoso F depurato avente una temperatura di circa -100°C che fu quindi inviato, lato tubi, nello scambiatore di calore 4a nel quale fu riscaldato a circa -10°c promuovendo contemporaneamente il raffreddamento dell'effluente F inquinato entrante, lato mantello, nello scambiatore stesso.

Cosi facendo si ottenne un vantaggioso recupero delle frigorie possedute dall*effluente depurato che fu quindi scaricato definitivamente in atmosfera.

Dopo un tempo di circa 12 ore fu raggiunto un valore di circa 400 mm di colonna d'acqua di perdita di carico negli scambiatori 4a e 5a ed il misuratore 6a commutò, tramite la valvola a tre vie 2, l'effluente gassoso F nella sezione 3b nel frattempo rigenerata.

La rigenerazione della sezione 3a permise quindi il recupero, dagli scambiatori di calore 4a e 5a di 5 kg/h di acqua, 150 kg/h di cloruro di metilene e 4 kg/h di anidride carbonica.

Portate analoghe su basi orarie furono ricavate e misurate nella sezione dell'impianto 3b.

ESEMPIO 2

Una portata massica pari a 1127 kg/h di un effluente gassoso avente una temperatura di circa 30°C e cosi costituita:

fu introdotta nell'impianto illustrato in figura 1 e quindi sottoposto a raffreddamento, nel raffreddatore 1, ad una temperatura di circa 7°C.

A tale scopo fu impiegata una portata massica di circa 2000 kg/h di acqua refrigerata, che sub! un riscaldamento da 2°C a 12°C. Furono così separati nel raffreddatore 122 kg/h di acqua.

L'effluente F, ora di portata pari a 1105 kg/h, fu . quindi inviato nella sezione 3a, in fase di rimozione, dell'impianto in cui attraversò in successione gli scambiatori di calore 4a e 5a, subendo successivi rar redamenti da 7 a -30°c e da -30 a -100°c rispettivamente .

SI ottenne in tal modo la separazione praticamente completa dell'effluente gassoso F dell'alcol metilico e della umidità resìdua in esso presente.

In particolare, l'alcol metilico fu solidificato nello scambiatore dì calore 5a mantenuto ad una temperatura di circa -100°c impiegando, lato tubi, una portata massica pari a 450 kg/h di azoto lìquido entrante nello scambiatore ad una temperatura di - 173°C ed una pressione dì 7,7 bar ed uscente da esso ad una temperatura di -10°c ed a una pressione di 7 bar.

Nello scambiatore 5a uscirono 1000 kg/h di un effluente gassoso F depurato, aventi una temperatura di circa -100°c, che furono inviati, lato tubi, nello scambiatore di calore 4a in cui raffreddarono l'effluente F inquinato entrante, lato mantello, nello scambiatore stesso subendo un riscaldamento a -10°C.

L’effluente depurato F, cosi riscaldato, fu quindi inviato per intero nella sezione 3b, in fase di rigenerazione e quindi scaricato definitivamente in atmosfera.

Dopo un tempo di circa 360 minuti fu raggiunto il valore dì 200 mm di colonna d'acqua di perdita di carico negli scambiatori 4a e 5a. Il misuratore di perdita di carico 6a commutò quindi, per mezzo della valvola a tre vie 2, l’effluente gassoso F inquinato nella sezione 3b nel frattempo rigenerata.

La successiva rigenerazione della sezione 3a permise quindi il recupero, dagli scambiatori di calore 4a e 5a di circa 5 kg/h di acqua e circa 100 Kg/h di alcol metilico.

Portate analoghe su basi orarie furono recuperate dalla sezione 3b dell'impianto.

ESEMPIO 3

Una portata massica di un effluente gassoso F identica a quella riportata nell'esempio 2 (1127 kg/h) e comprendente :

fu raffreddata, nel raffreddatore 1, ad una,temperatura di circa 5°C mediante una portata massica di acqua di raffreddamento identica a quella riportata nell’esempio 2.

Nel raffreddatore 1 furono quindi separati per condensazione 23 kg/h di acqua.

1104 kg/h dell'effluente in uscita da tale raffreddatore furono quindi inviati nella sezione 3 dell'Impianto, in fase di rimozione, in cui, attraversando in successione gli scambiatori di calore 4a e 5a, subirono successivi raffreddamenti da 5 a -30°C e da -30 a -120°C.

Si ottenne in tal modo una separazione praticamente completa dall'effluente gassoso F dell'ossido di etilene e dell'umidità ancora residua in esso presenti.

L'ossido di etilene fu in particolare solidificato nello scambiatore di calore 5a mantenuto ad una temperatura di circa -120°c impiegando, lato tubi, una portata massica pari a circa 250 kg/h di azoto liquido, di porta e temperatura analoga a quella riportata nel precedente esempio 2.

In uscita lo scambiatore 5a 1000 kg/h di un effluente gassoso F depurato, aventi una temperatura di circa - 120°c furono quindi inviati, lato tubi, nello scambiatore di calore 4a nel (piale subirono un riscaldamento circa - I0°c.

Dopo il recupero delle proprie frigorie, l'effluente depurato fu inviato nella sezione 3b, in fase di rigenerazione e quindi scaricato in atmosfera.

Analogamente a quanto descritto nel precedente esempio 2 la commutazione tra le sezioni 3a e 3b avvenne dopo circa 360 minuti mentre sì recuperarono, su basi orarle, 4 kg/h di acqua e 100 kg/h di ossido di etilene dagli accumulatori.

ESEMPIO 4

Un effluente gassoso F di portate e composizioni identiche a quelle riportate nell'esempio 1 fu sottoposto a depurazione con una variante di impianto illustrata in figura 2.

In esso furono effettuate operazioni del tutto analoghe a quelle illustrate nell'Esempio 1 con la differenza che nello scambiatore di calore 5a la solidificazione delle sostanze inquinanti volatili fu effettuata impiegando 260 kg/h di azoto liquido a -196°c. Tale azoto in uscita ad una temperatura di circa -120°c dallo scambiatore di calore 5a fu quindi miscelato nel miscelatore 7a con l'effluente F depurato, dando luogo ad una portata massica con quest'ultimo pari a circa 1260 kg/h .

La miscela effluente F/azoto fu quindi inviata allo scambiatore di calore 4a in cui, raffreddando l'effluente F gassoso inquinato da 7 a -30°C, subì un riscaldamento da -100°c a -10°c prima dello scarico nell'atmosfera.

Analogamente a quanto illustrato nel precedente esemplo 1, al raggiungimento di una perdita di carico complessiva di circa 400 mm di colonna d'acqua nella sezione 3a, il misuratore di perdita di carico 6a commutò, tramite la valvola a tre vie 2, l’effluente gassoso F nella sezione 3b nel frattempo rigenerata.

Come detto più sopra, in questo caso la rigenerazione avvenne riscaldando una portata prefissata di azoto gassoso proveniente dalla rete di stabilimento, in questo caso pari a 400 kg/h nello scambiatore di calore 8a, riscaldamento che fu effettuato mediante vapore condensante.

Anche in questo caso si ottenne una rimozione sostanzialmente completa dei 150 kg/h di cloruro di metilene.

Da quanto descritto ed illustrato, risulta evidente che.il metodo secondo l'invenzione consente il raggiungimento, nei confronti dei metodi della tecnica nota dei seguenti vantaggi:

rimozione sostanzialmente completa delle sostanze inquinanti presenti nell’effluente gassoso,

- elevata affidabilità,

- basso costo di investimento e di esercìzio,

- elevata autonomia ed indipendenza da altri processi di smaltimento delle sostanze inquinanti eventualmente raccolte.

Dal momento che le sostanze inquinanti vengono rimosse in modo sostanzialmente completo, il metodo della presente invenzione presenta l'ulteriore vantaggio di consentire l'eliminazione degli strumenti di analisi in continuo dell 'effluente gassoso scaricato in atmosfera, il controllo della qualità dell'aria essendo vantaggiosamente associabile al controllo della temperatura degli effluenti in uscita dai solidificatori Sa, 5b.

E' infine da aggiungere che, agli impianti più sopra schematicamente illustrati destinati ad attuare il metodo secondo l'invenzione, un tecnico del ramo potrà apportare numerose modifiche e varianti, senza peraltro uscire dall'ambito di protezione del presente trovato quale definito dalle seguenti rivendicazioni.

Cosi, ad esempio, in una ulteriore variante di realizzazione, l'azoto in uscita dello scambiatore di calore Sa potrà essere ulteriormente utilizzato per raffreddare, a monte dello scambiatore 4a l’effluente F gassoso così da recuperare ulteriormente le frigorie dell'azoto liquido prima della sua immissione nella rete di stabilimento.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la rimozione di sostanze Inquinanti in forma di gas, vapore o aerosol da un effluente gassoso, caratterizzato dal fatto che detto effluente, comprendente dette sostanze inquinanti, è sottoposto a raffreddamento ad una temperatura non superiore alla temperatura di congelamento di dette sostanze, così da separarle per solidificazione dall'effluente.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le sostanze inchinanti solidificate vengono successivamente recuperate previa liquefazione.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto raffreddamento è effettuato mediante un fluido frigorigeno scelto nel gruppo comprendente: azoto liquido, freon, salamoie, ammoniaca.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta temperatura di raffreddamento è compresa fra -50 e -150°C.