ITMI20072021A1 - Procedimento per la riduzione della concentrazione di sali in una corrente acquosa che li contiene - Google Patents

Procedimento per la riduzione della concentrazione di sali in una corrente acquosa che li contiene Download PDF

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Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale
La presente invenzione descrive un procedimento per la riduzione della concentrazione di sali in una corrente acquosa che li contiene che può essere applicato in particolare per la dissalazione dell'acqua di mare .
Nell'arte nota esistono due soluzioni per la dissalazione dell'acqua:
• dissalazione per congelamento diretto; • dissalazione per congelamento indiretto su superfici.
Il processo di dissalazione per congelamento diretto consiste in una cristallizzazione mediante congelamento diretto, una fase di separazione e lavaggio del ghiaccio, fusione del ghiaccio, separazione dei residui di refrigerante dall'acqua prodotta. Nella cristallizzazione per congelamento diretto il refrigerante viene iniettato direttamente nella corrente contenente sali da congelare .
Il processo di dissalazione per congelamento indiretto consiste nel parziale congelamento a stadi successivi dell'acqua da dissalare su una superficie di scambio, drenaggio della salamoia residua, fusione del ghiaccio prodotto ed invio ad un nuovo stadio per un ulteriore stadio di purificazione fino al raggiungimento della purezza des ider ata .
Entrambe le soluzioni presentano diversi inconve-nienti .
La dissalazione per congelamento diretto presenta le seguenti criticità tecniche:
• pericolo di formazione di idrati a causa del contatto diretto tra acqua e refrigerante la quale fa crollare drasticamente le performance del processo;
• la fase di lavaggio è molto critica a causa della presenza del refrigerante che può contaminare l'acqua prodotta; • l'apparecchiatura unica di separazione e lavag-gio è molto costosa a causa dell'elevata efficienza di lavaggio che questa fase deve avere per eliminare il refrigerante dall'acqua pro-dotta;
• è necessario, nonostante l'efficienza della fase di lavaggio, uno strippaggio finale dell'acqua prodotta per essere sicuri che le tracce di refrigerante residue siano inferiori ai limiti consentiti.
La dissalazione per congelamento indiretto presenta invece le seguenti criticità tecniche :
• bassa efficienza termica dovuta al fatto di dover congelare e fondere l'acqua più volte per ottenere la purezza richiesta;
• ogni singolo stadio ha un funzionamento batch per cui le superi ici di scambio vanno continuamente raffreddate e riscaldate con conseguenti problematiche di fatica termica.
Si è ora trovato che effettuando la produzione del ghiaccio mediante cristallizzazione continua in sospensione con raffreddamento esterno si superano le à delle soluzioni dell'arte nota.
Questo tipo di cristallizzazione ha il vantaggio di non avere contatto diretto tra fluido refrigerante e salamoia da congelare, permettendo di superare tutte le criticità dell'arte nota per la dissalazione per congelamento diretto, legate al contatto diretto fra acqua e refrigerante. Inoltre, nel procedimento proposto, la formazione del ghiaccio avviene essenzialmente nel bulk liquido e non sulla superficie di scambio, come avviene invece nei processi dell'arte nota, eliminando in tal modo la criticità data dal funzionamento in batch. Inoltre il congelamento, nel procedimento proposto, avviene in un solo stadio in continuo, eliminando i problemi di efficienza termica dati dalla dissalazione per contatto indiretto presenti nell'arte nota. Il procedimento, oggetto della presente invenzione, per la riduzione della concentrazione di sali in una corrente acquosa che li contiene comprende i seguenti stadi: • produzione di ghiaccio mediante cristallizzazione continua in sospensione ottenuta per parziale congelamento di detta corrente acquosa, effettuato mediante scambio termico indiretto con un fluido freddo avente temperatura minore o uguale a -2<0>C;
• separazione tra il ghiaccio prodotto e la salamoia concentrata ottenuta per parziale congelamento e successivo lavaggio del ghiaccio in uno o più stadi dello stesso;
• fusione del ghiaccio separato e lavato per ottenere una corrente acquosa con concentrazione ridotta di sali.
Il fluido freddo avente temperatura uguale o minore di -2 °C preferibilmente è un fluido che assorbe calore passando dallo stato liquido a quello gassoso oppure un fluido che assorbe calore in condizioni supe rcr iti che . In particolare il fluido freddo può essere scelto preferibilmente fra LNG (gas naturale liquefatto), LPG (gas di petrolio liquefatto), LH2(idrogeno liquido), LN2, (azoto liquido), L02(ossigeno liquido), LC02(anidride carbonica liquida), ancor più preferibilmente LNG.
La corrente acquosa contenente sali può essere preferibilmente acqua di mare o un refluo industriale contenente inquinanti salini .
Lo stadio di cristallizzazione in sospensione può essere effettuato preferibilmente mediante due apparecchiature, un cristallizzatore ed uno scambiatore di calore.
Nello stadio di cristallizzazione così configurato, la corrente acquosa contenente i sali è alimentata al cristallizzatore in cui è contenuta una sospensione di cristalli di ghiaccio e salamoia concentrata già formatasi, detta "slurry" . Una corrente di slurry viene fatta continuamente ricircolare tra il cristallizzatore e lo scambiatore di calore dove viene so ttor affr edda ta in modo da provocare il parziale congelamento della corrente acquosa alimentata al cristallizzatore.
La soluzione preferita per il cristallizzatore è un cristallizzatore in sospensione, preferibilmente del tipo "Draft Tube Baffle" o a circolazione forzata, con raffreddamento esterno; tuttavia possono essere utilizzati altri tipi di cristallizzatori con raffreddamento indiretto come, ad esempio, un cristallizzatore in sospen-sione con scambiatore a superfici raschiate. La corrente acquosa da congelare presenta all'interno dello scambiatore scelto velocità preferibilmente maggiori o uguali a 1 m/s . Nel cristallizzatore invece viene preferibilmente scelta una velocità maggiore della velocità di galleggiamento dei cristalli di ghiaccio.
Il tempo di permanenza nel cristallizzatore sarà dimensionato in modo tale da ottenere cristalli di ghiaccio sufficientemente grandi per le successive fasi di separazione e lavaggio; preferibilmente la dimensione media dei cristalli di ghiaccio è scelta maggiore di 0,2 mm .
La separazione del ghiaccio formatosi può essere effettuata preferibilmente mediante filtri rotanti sottovuoto o mediante centrifuga .
Il successivo lavaggio viene effettuato preferibilmente in due stadi, di cui il primo effettuato direttamente o sul filtro oppure sulla centrifuga, il secondo effettuato ad esempio mediante colonna di elutriazione .
Lo stadio di fusione del ghiaccio può essere effettuato mediante scambiatore con una sorgente avente una temperatura maggiore di 0°C.
In particolare l'unità di fusione sarà preferibilmente simile al cristallizzatore ma con un tempo di permanenza minore dato che la dinamica del processo di fusione è più rapida di quella di accrescimento.
Le dimensioni del sistema di fusione dipenderanno molto dalla temperatura della fonte calda che si intende utilizzare.
La corrente acquosa, prima di essere inviata allo stadio di produzione di ghiaccio, può essere sottoposta preferibilmente a preraffreddamento.
In tal caso il preraffreddamento della corrente acquosa viene effettuato utilizzando preferibilmente la corrente acquosa a concentrazione ridotta di sali ottenuta e/o la salamoia concentrata prodotta nella separazione del ghiaccio.
Nel caso in cui venga utilizzato quale fluido freddo un fluido a temperatura minore di -50°C, come ad esempio l'LNG, è utilizzare anche uno o più fluidi intermedi che permettono di ridurre il salto termico.
In particolare nel caso in cui venga utilizzato LNG i fluidi intermedi con relativi i di sc ambi o sono preferibilmente due, dei quali:
• il primo fluido intermedio scambia in un chiuso da un lato con LNG avendo la temperatura d'ingresso compresa -15 °C e -5 °C e la temperatura d'uscita compresa fra -3 0°C e -60 °C . L'LNG, che si trova ad una temperatura di ingresso compresa fra -162°C e -130°C viene riscaldato e/o vaporizzato fino ad una temperatura compresa tra -6 0°C e -1 0<0>C .
• il primo fluido intermedio scambia dall'altro lato con il secondo fluido intermedio, avendo la temperatura di ingresso compresa fra -30°C e -60°C e la temperatura d'uscita compresa fra -15°C e -5 °C .
• il secondo fluido intermedio scambia in un circuito chiuso da un lato con il primo fluido intermedio, avendo la temperatura d'ingresso compresa fra -2 °C e —10<0>C e la temperatura d'uscita compresa fra -17°C e -9°C
• il secondo fluido intermedio scambia dall'altro lato con il cristallizzatore per la produzione di ghiaccio, avendo la temperatura d'ingresso compresa fra -1 7°C e -9°C e la temperatura d'uscita compresa fra -2°C e -10°C.
Viene ora fornita una realizzazione della presente invenzione applicata all'acqua di mare con l'ausilio della fig. 1 che tuttavia non deve essere considerata una limitazione della portata della invenzione stessa.
La corrente da trattare (IN) viene prelevata ed inviata preferibilmente ad una serie di pretrattamenti ((FIL) : Filtrazione e Sedimentazione; (AS): Aggiunta Antincrostante ; (Bio) : Aggiunta Biocida) che contribuiscono al buon mantenimento dell'impianto. La corrente pretrattata viene poi pre-raf freddata in adatto scambiatore (PR) recuperando frigorie dalle correnti di acqua dissalata (DIS) e salamoia (SAL) in uscita dall'impianto.
L'acqua di mare pre -raf fredd ata viene inviata ad un cristallizzatore in sospensione (CR) con raffreddamento esterno (SC) dove viene parzialmente congelata sfruttando le frigorie contenute nel fluido freddo (FF) , preferibilmente l'LNG, che si vuole vaporizzare.
La corrente di ghiaccio e salamoia (SS) in uscita dal cristallizzatore viene inviata alla fase di separazione e primo lavaggio (SL1) e successivamente alla fase di secondo lavaggio (L2) . La separazione ed il primo lavaggio avvengono contestualmente in una sola apparecchiatura, ad esempio in filtri sotto vuoto con lavaggio del filtrato oppure in centrifughe con lavaggio interno. Il ghiaccio (ICE) in uscita dal primo lavaggio viene reso di nuovo fluido in un apposito serbatoio (TS), mediante l'aggiunta di una corrente acquosa (CS) prelevata dal secondo lavaggio, ed inviato al secondo lavaggio (L2) , effettuato ad esempio in una colonna di elutr iaz ione , per raggiungere la concentrazione di sali desiderata.
La corrente di ghiaccio ed acqua dissalata (SD) uscente dalle fasi di lavaggio viene inviata ad un'unità di fusione (FUS) , dove il ghiaccio viene fuso mediante scambio termico (SF) con una fonte di calore disponibile (ad esempio acqua) .
Le correnti di acqua dissalata prodotta (DIS) e di salamoia in uscita dalla separazione (SAL) vengono, come sopra già descritto, impiegate per il preraffreddamento della corrente pretrattata o da
In fig. 2 viene schematizzato il caso particolare del congelamento della corrente acquosa effettuato mediante l'utilizzo di due fluidi intermedi oltre al fluido freddo. L'acqua di mare pre -raf fredd ata viene inviata ad un cristallizzatore in sospensione (CR) con raffreddamento esterno (SC) dove viene parzialmente congelata sfruttando le frigorie contenute nel secondo fluido intermedio (12), il quale scambia calore in un apposito scambiatore (SI2) con il primo fluido intermedio (II) , che a sua volta scambia calore in un secondo scambiatore (SII) con il fluido freddo (FF), preferibilmente l'LNG, che si vuole vaporizzare. Viene riportato un esempio di realizzazione della presente invenzione effettuato in accordo agli schemi delle fig. 1 e 2 sopra descritte .
Es empi o
Una portata di 7040 ton/h d'acqua di mare viene prelevata ed inviata ad una serie di pretrattamenti (Filtrazione e Sedimentazione, Aggiunta Antincrostante , Aggiunta Biocida) . L'acqua di mare, prelevata intorno ai 15 °C, viene inviata ad una unità di preraffreddamento dove scambia calore con le correnti di acqua dissalata (1860 ton/h) e salamoia di scarto (5180 ton/h) in uscita dall 'impianto .
L'acqua di mare p re- raff redda ta intorno a 0°C viene inviata ad un cristallizzatore dove viene parzialmente congelata sfruttando le frigorie contenute nella corrente di LNG (1050 ton/h) a -160°C che si vuole vaporizzare. La temperatura all'interno del cristallizzatore è di -3°C. La soluzione scelta per il cristallizzatore è un cristallizzatore in sospensione con raffreddamento esterno (del tipo "Draft tube Baffle" oppure a circolazione forzata) .
In particolare sono stati utilizzati anche due fluidi intermedi, con relativi circuiti di scambio, dei quali il primo fluido intermedio (propano) scambia in un circuito chiuso da un lato con LNG, passando da -10 °C a -50 °C, dall'altro con il secondo fluido intermedio, passando da -50 °C a -10 °C . Il secondo fluido intermedio (soluzione acquosa al 20% di NaCl) scambia in un circuito da un lato con il primo fluido intermedio, venendo così raffreddato da-5 °C a -12°C, dall'altro con il cristallizzatore, venendo così riscaldato da -12 °C a -5°C assorbendo calore dalla sospensione di ghiaccio e salamoia che circola tra il cristallizzatore e lo scambiatore di calore.
In uscita dal cristallizzatore viene prelevata una corrente di ghiaccio e salamoia per essere inviata alle fasi di separazione e primo lavaggio. La separazione ed il primo lavaggio avvengono contestualmente in una sola apparecchiatura (filtri sotto vuoto con lavaggio del filtrato) . Il ghiaccio in uscita dal primo lavaggio viene reso di nuovo fluido in un serbatoio, mediante l'aggiunta di una corrente acquosa (5000 ton/h) prelevata dal secondo lavaggio, ed inviato al secondo lavaggio, effettuato in una colonna di e1u tria zione , per raggiungere la concentrazione di sali desiderata .
La corrente di ghiaccio ed acqua dissalata uscente dalle fasi di lavaggio viene inviato ad un unità di fusione dove il ghiaccio viene fuso mediante scambio termico con acqua ad una temperatura superiore ai 10°C .
Le correnti di acqua dissalata prodotta e di salamoia in uscita dalla separazione vengono inviate al preraffreddamento dell'acqua di mare .

Claims (17)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la riduzione della concentrazione di sali in una corrente acquosa che li contiene comprendente i seguenti stadi: • produzione di ghiaccio mediante cristallizzazione continua in sospensione ottenuta per parziale congelamento di detta corrente acquosa, effettuato mediante scambio termico indiretto con un fluido freddo avente temperatura minore o uguale a -2<0>C; • separazione tra il ghiaccio prodotto e la salamoia concentrata ottenuta per parziale congelamento e successivo lavaggio del ghiaccio in uno o più stadi dello stesso; • fusione del ghiaccio separato e lavato per ottenere una corrente acquosa con concentrazione ridotta di sali.
  2. 2. Procedimento come da rivendicazione 1 dove il fluido freddo avente temperatura uguale o minore di -2 °C assorbe calore passando dallo stato liquido a quello gassoso .
  3. 3. Procedimento come da rivendicazione 1 dove il fluido freddo avente temperatura uguale o minore di -2°C assorbe calore in condizioni supercritiche .
  4. 4 .Procedimento come da rivendicazione 2 o 3 dove il fluido freddo è scelto fra LNG, LPG , LH2, LN2, L02, LC02.
  5. 5 .Procedimento come da rivendicazione 4 dove il fluido freddo è LNG.
  6. 6.Procedimento come da rivendicazione 1 dove la corrente acquosa contenenti sali è acqua di mare o un refluo industriale contenente inquinanti salini.
  7. 7 .Procedimento come da rivendicazione 1 dove lo stadio di cristallizzazione continua in sospensione viene effettuato mediante due apparecchiature, un cristallizzatore ed uno scambiatore di calore in cui la corrente acquosa viene fatta circolare per il raffreddamento.
  8. 8 .Procedimento come da rivendicazione 7 dove il cristallizzatore è del tipo "Draft Tube Baffle" o a circolazione forzata .
  9. 9 .Procedimento come da rivendicazione 7 o 8 dove la corrente acquosa da congelare ha all'interno del cristallizzatore e dello scambiatore velocità maggiori o uguali a 1 m/s .
  10. 10. Procedimento come da rivendicazione 1 dove lo stadio di separazione viene effettuato mediante filtri rotanti sottovuoto o mediante centrifuga.
  11. 11. Procedimento come da rivendicazione 1 dove il lavaggio viene effettuato in due stadi .
  12. 12. Procedimento come da rivendicazioni 10 e il in cui il primo stadio di lavaggio viene effettuato direttamente o sul filtro oppure nella centrifuga, il secondo stadio mediante colonna di elutriazione .
  13. 13. Procedimento come da rivendicazione 1 dove lo stadio di fusione del ghiaccio viene effettuato mediante scambiatore con una sorgente avente una temperatura maggiore di 0°C.
  14. 14. Procedimento come da rivendicazione 1 dove la corrente acquosa, prima di essere inviata allo stadio di produzione di ghiaccio, viene sottoposta a preraffreddamento .
  15. 15. Procedimento come da rivendicazione 14 dove il preraffreddamento della corrente acquosa viene effettuato mediante scambio termico con la corrente acquosa a concentrazione ridotta di sali ottenuta e/o la salamoia concentrata ottenuta nella separazione del ghiaccio.
  16. 16. Procedimento come da rivendicazione 5 dove vengono utilizzati uno o più fluidi intermedi, oltre all 'LNG, che permettono di ridurre il salto termico.
  17. 17. Procedimento come da rivendicazione 16 dove i fluidi intermedi, con relativi circuiti di scambio, sono due, dei quali: • il primo fluido intermedio scambia in un circuito chiuso da un lato con LNG, avendo la temperatura d'ingresso compresa -15 °C e -5°C e la temperatura d'uscita compresa fra -30°C e -60 °C . L'LNG, che si trova ad una temperatura di ingresso compresa fra -162°C e -130°C viene riscaldato e/o vaporizzato fino ad una temperatura compresa t ra - 6 0<0>C e - 1 0 ° C . • il primo fluido intermedio scambia dall'altro lato con il secondo fluido intermedio, avendo la temperatura di ingresso compresa fra -30°C e -60 °C e la temperatura d'uscita compresa fra -1 5<0>C e -5<0>C . • il secondo fluido intermedio scambia in un circuito chiuso da un lato con il primo fluido intermedio, avendo la temperatura d'ingresso compresa fra -2°C e -10°C e la temperatura d'uscita compresa fra -17°C e -9°C • il secondo fluido intermedio scambia dall'altro lato con il cristallizzatore per la produzione di ghiaccio, avendo la temperatura d'ingresso compresa fra -17°C e -9 °C e la tempera-tura d'uscita compresa fra -2°C e -10°C.
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