ITMI20082183A1 - Apparecchiatura a flusso vorticoso per realizzare un' interazione tra un fluido ed un solido e processo di interazione fluido-solido impiegante la stessa - Google Patents

Description

“APPARECCHIATURA A FLUSSO VORTICOSO PER REALIZZARE UN’INTERAZIONE TRA UN FLUIDO ED UN SOLIDO E PROCESSO DI INTERAZIONE FLUIDO-SOLIDO IMPIEGANTE LA STESSA”

DESCRIZIONE

La presente invenzione è relativa a un’apparecchiatura a flusso vorticoso per realizzare un’interazione tra un fluido ed un solido, e ad un processo di interazione tra fluido e solido impiegante la stessa.

È noto l’impiego di apparecchiature a letto fluido per ottenere un intimo contatto tra una fase fluida ed una solida, per cui si richiede un notevole scambio di materia e/o di energia tra le due fasi. Il fluido è solitamente un gas ed il solido può partecipare al fenomeno come reagente e/o catalizzatore. Apparecchiature a letto fluido, tuttavia, trovano applicazione anche in sistemi non reattivi, come ad esempio nell’essiccamento. Sono altresì note altre tecnologie per la promozione di un intimo contatto tra un solido fluidizzabile ed un fluido, quali ad esempio i letti a getto (spouted bed).

Per talune applicazioni può essere vantaggioso un sistema confinato in un volume relativamente piccolo, nel quale i tempi di contatto tra solido e gas siano piuttosto brevi. Ad esempio, è noto l’impiego di tecnologie al plasma per la modifica delle caratteristiche chimico-fisiche di materiali di varia natura, in particolare materiali polimerici, ma anche di altra natura.

Il lavoro di J. Hladik, P. Spatenka, L. Aubrecht, J. Pichal; “New method of microwave plasma treatment of HDPE powders”, Czechoslovak Journal of Physics, 56; (2006), B1120-B1124, descrive la modificazione delle proprietà superficiali di polveri di HDPE in un reattore discontinuo al plasma di ossigeno costituito da un cilindro munito di un agitatore orizzontale a pale.

Il lavoro di B. Mutel, M. Bigan, H. Vezin, “Remote nitrogen plasma treatment of a polyethylene powder/Optimisation of the process by composite experimental designs”; Applied Surface Science; 239 (2004) 25-35; descrive l’aumento della bagnabilità di polveri di PE in un reattore a letto fluido al plasma di azoto.

US 5283086 descrive un metodo per migliorare le proprietà triboelettriche di polveri polimeriche con un trattamento al plasma in un reattore sperimentale sferico, a flusso vorticoso, realizzato in vetro. Il reattore descritto è di tipo discontinuo, in quanto nel reattore viene introdotta una certa quantità di solido ed ivi mantenuta fino a trattamento completato. Considerato il breve tempo di vita delle particelle attive e reattive costituenti il plasma, specialmente a pressioni prossime a quella atmosferica, le tecnologie attualmente conosciute per i sistemi a letto fluido non permetterebbero di ottenere un contatto adeguato tra plasma e solido da trattare.

Uno scopo della presente invenzione è pertanto quello di provvedere un’apparecchiatura capace di assicurare un’interazione efficace tra un fluido ed un solido in un tempo di contatto relativamente breve, così da potere essere utilizzata in un processo di interazione tra fluido e solido realizzato anche in modo continuo.

Il suddetto ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, come risulteranno dal seguito della descrizione, vengono ottenuti con un’apparecchiatura per realizzare un’interazione tra un fluido ed un solido in cross-flow, comprendente una cavità cilindrica provvista di almeno un’apertura di carico e scarico di detto solido, caratterizzata dal fatto di comprendere:

- una feritoia estendentesi in direzione tangenziale rispetto a detta cavità cilindrica; - un’apertura allungata distanziata da detta feritoia e sostanzialmente parallela alla stessa, provvista di mezzi di trattenimento di detto solido e di fuoriuscita di detto fluido;

tale per cui mediante immissione di un fluido da detta feritoia e scarico dello stesso da detta apertura distanziata si instaura un flusso vorticoso di detto solido e detto fluido secondo una traiettoria sostanzialmente circolare o a spirale in prossimità della parete di detta cavità cilindrica (12).

Con il termine cross-flow, com’è noto nel ramo, si intende un’interazione con continuo rinnovo della fase gas su tutta la lunghezza dell’apparecchiatura.

La feritoia che si estende in direzione tangenziale è costituita da un’apertura allungata continua o da una serie di aperture adiacenti e sostanzialmente allineate.

Secondo una forma di attuazione preferita l’apertura di carico e scarico del solido è costituita da un foro di entrata posto ad un’estremità di detta cavità cilindrica e da un foro di uscita posto all’estremità opposta di detta cavità cilindrica, e detta apertura di fuoriuscita del fluido è posta tra detti fori di entrata e uscita del solido.

L’interazione tra il fluido immesso in una direzione tangenziale rispetto alla cavità cilindrica ed il solido può essere di tipo fisico o di tipo chimico, o di entrambi i tipi.

Il solido può essere costituito da elementi discontinui di ridotte dimensioni, quali particelle, granuli, pellets o fibre, ovvero da elementi sostanzialmente continui quali nastri o fasci di fibre, ad esempio stoppini, tops e tows. Il sistema a vortice, in quest’ultimo caso, massimizza l’interazione fluido-dinamica tra la fase gas e la fase solida che mantiene un moto di tipo assiale.

Nel caso di interazione chimica tra fluido e solido l’apparecchiatura costituisce un reattore. Un aspetto specifico dell’invenzione riguarda pertanto un reattore per un sistema gas-solido, ancora più particolarmente un sistema gas-solido in cui il gas è costituito da plasma ed il solido da un materiale particellare, granulare o fibroso.

L’invenzione si estende anche ad un processo di interazione tra un fluido ed un solido, comprendente l’introduzione del solido in una cavità cilindrica, caratterizzato dall’immettere in detta cavità un fluido destinato ad interagire con detto solido, detto fluido essendo immesso secondo una direzione tangenziale tramite un’apertura allungata sulla cavità cilindrica ed essendo scaricato da un’apertura parallela e distanziata da detta apertura allungata, tale per cui in detta cavità cilindrica si instaura un flusso vorticoso ed al solido introdotto nella cavità viene impartita una traiettoria circolare o a spirale. Il sistema è quindi un cross-flow grazie al quale si può avere un controllo disgiunto dei tempi di permanenza di solido e di gas.

Più particolarmente il processo dell’invenzione riguarda il trattamento di un solido in forma particellare o continua mediante plasma nel reattore di cui sopra, ed al solido trattato così ottenuto.

L’invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni allegati, dati a titolo illustrativo e non limitativo, in cui:

- la Fig. 1 è una vista assonometrica schematica di un’apparecchiatura secondo l’invenzione;

- la Fig.2 è una vista schematica in sezione trasversale dell’apparecchiatura di Fig.1;

- la Fig.3 è una vista schematica in pianta dall’alto dell’apparecchiatura di Fig.1;

- la Fig.4 è una vista schematica in pianta dal basso dell’apparecchiatura di Fig.1;

- la Fig.5 è uno schema di trattamento di materiali realizzabile con plasma; e

- la Fig.6 è uno schema a blocchi del processo secondo l’invenzione.

Una forma di attuazione dell’invenzione riguarda l’impiego di plasma o gas ionizzato o ad elevata reattività nel trattamento di polveri e/o materiali polimerici solidi per modificare/migliorare certe caratteristiche superficiali di tali materiali, ad esempio l’idrofilia, in funzione di ulteriori trattamenti o lavorazioni.

Secondo l’invenzione è risultato vantaggioso operare in un sistema confinato nel quale il solido non è fluidizzato in modo tradizionale da un flusso di fluido ascendente, bensì può essere messo in movimento e seguire una traiettoria circolare o a spirale in prossimità delle pareti interne di un reattore di geometria cilindrica.

Con riferimento alle figure, la Fig. 1 illustra schematicamente un’apparecchiatura designata generalmente con 10, provvista di una cavità cilindrica 12. La fase fluida, responsabile del moto circolare del solido 13, entra nella cavità cilindrica 12 attraverso una feritoia superiore 14, come indicato dalla freccia A nelle Figg. 1 e 2, o attraverso una serie di fori allineati 15, secondo un’altra forma di attuazione illustrata in Fig. 3. La direzione tangenziale di ingresso del fluido su tutta la lunghezza della cavità cilindrica è tale per cui il solido 13 presente nella cavità acquista una traiettoria circolare, o a vortice, come indicato dalle frecce B in Figura 2. Il fluido esce dalla cavità 12 attraverso un’apertura provvista di un setto poroso o rete 16, secondo la direzione delle frecce C di Fig. 2. Il setto poroso o rete 16 è scelto in modo da trattenere il solido nella cavità 12 senza interromperne il moto circolare in prossimità della superficie della cavità cilindrica.

Per ottenere una modalità di funzionamento in continuo dell’apparecchiatura è necessario introdurre una componente assiale al flusso gassoso che ha ingresso tangenziale nel cilindro. Ciò viene ottenuto realizzando alle estremità opposte della cavità cilindrica un foro di entrata 18 ed un foro di uscita 19, tramite i quali viene rispettivamente alimentato e scaricato il solido. Si viene così a realizzare un trasporto di tipo pneumatico, con la componente assiale che provoca un avanzamento del solido dalla zona di alimentazione in direzione dello scarico. La traiettoria della miscela di gas e solido passa quindi da circolare a spirale, come indicato dalla linea B’ di Fig. 1. Viene dunque a generarsi un sistema in continuo nel quale il solido entra da un’estremità del cilindrico ed incontra un flusso gassoso con ingresso tangenziale nel cilindro stesso che innesca una traiettoria a spirale su tutta la lunghezza del cilindro fino all’opposta estremità, laddove il solido viene scaricato.

La posizione dei fori per l’alimentazione 18 e lo scarico 19 del solido può essere in prossimità delle due estremità del reattore, come mostrato in Fig. 1, oppure in posizione diversa non illustrata, ad esempio nelle due basi opposte del cilindro nel quale è definita la cavità 12 costituente il volume del reattore, quindi con direzione assiale rispetto all’asse del cilindro. L’alimentazione e lo scarico del solido possono avvenire secondo diverse modalità ma si indica come favorita le scelta del trasporto pneumatico, attraverso un fluido di trasporto preferibilmente dalle caratteristiche simili al fluido in ingresso dalla feritoia. In questo caso, l’alimentazione del solido è garantita da una portata di gas in ingresso tale per cui si verifichi un trasporto pneumatico. Lo scarico all’opposta estremità del reattore è garantito da una portata in uscita che è assicurata da una pompa a vuoto a valle del sistema di scarico, oppure semplicemente dalla portata di gas di processo con ingresso tangenziale rispetto al cilindro che trova una via di fuga in quella direzione data dal bilancio delle perdite di carico all’interno del reattore.

Il setto poroso 16, disposto parallelamente all’asse del cilindro su tutta la lunghezza del reattore, garantisce lo smaltimento della maggior parte del gas di processo con ingresso tangenziale, non permettendo al solido di uscire dal sistema.

La perdita di carico provocata dal setto poroso dipende oltre che dalle sue caratteristiche intrinseche, anche dalla porzione di superficie del cilindro costituita dal setto stesso. Maggiore sarà la resistenza di questa via di fuga preferenziale del gas e maggiore sarà la portata disponibile per lo scarico del solido.

I tempi di permanenza, così come l’hold-up del solido all’interno del reattore, oltre a dipendere dalle caratteristiche geometriche del sistema ed in particolar modo da lunghezza e raggio del cilindro, posizione di alimentazione e scarico e dimensione della sezione di setto poroso, dipendono anche dalle portate di fluido ad ingresso tangenziale e dalla portata di gas di alimentazione e scarico.

La sezione del setto 16 può eventualmente non essere costante per modulare assialmente lo scarico del gas in “cross-flow” ed introdurre un’ulteriore componente assiale alla velocità del gas con moto a spirale all’interno del cilindro reattore, diminuendo così i tempi di permanenza.

L’ingresso del gas di processo (ad esempio plasma) avviene attraverso la feritoia 14 o una serie di fori allineati 15, in modo da garantire un ingresso tangenziale all’interno del volume cilindrico ed innescare il flusso vorticoso.

L’accoppiamento tra il sistema oggetto dell’invenzione ed il fornitore di gas (ad esempio un generatore di plasma) può avvenire in svariati modi, preferendosi configurazioni nelle quali l’intera feritoia di ingresso viene impegnata dalla portata di fluido di processo con profilo di velocità omogeneo su tutta la lunghezza della feritoia. Per la protezione del dispositivo a monte del reattore si può introdurre una rete sopra la feritoia di ingresso del gas di processo per evitare eventuali risalite del solido durate l’avvio e lo spegnimento del reattore.

Il plasma che viene alimentato al reattore in questione viene generato, ad esempio, in un generatore di plasma atmosferico quale quello descritto nel brevetto US 5458856, che è un componente chiave dei generatori di plasma atmosferico commercializzati dalla ditta AcXys Technologies S.A., Saint-Martin le Vinoux, Francia, ovvero nel generatore di plasma descritto nella domanda di brevetto italiana MI2006A002470 depositata il 21 dicembre 2006 a nome degli inventori della presente domanda. Utilizzando tale generatore la feritoia di scarico del generatore di plasma va a coincidere con la feritoia 14, o serie di fori allineati 15, rappresentanti l’ingresso del gas di processo del sistema oggetto della presente invenzione. Il sistema può essere equipaggiato con svariati dispositivi diagnostici per il monitoraggio ed il controllo delle variabili, quali ad esempio rilevatori di temperatura all’interno della camera e nel cuore del massello costituente il reattore e sonde di pressione all’interno del cilindro. Questi ed altri dispositivi possono essere introdotti in diverse posizioni assiali e radiali rispetto al cilindro tramite fori che dall’esterno del sistema raggiungono il volume cilindrico. E’ previsto un sistema di refrigerazione con dei condotti di diversa configurazione geometrica che attraversano il massello costituente il reattore attraverso i quali scorre il liquido refrigerante (ad esempio acqua). Un esempio di tale sistema di refrigerazione è illustrato dai condotti 20, 21, 22 e 23 di Fig.2.

Una forma di attuazione preferenziale dell’invenzione riguarda un’apparecchiatura ed un processo per il trattamento al plasma di materiali polimerici o tessili con tempi di contatto relativamente brevi.

Le motivazioni del trattamento di particelle polimeriche con plasma sono molteplici.

Le specie reattive presenti nel cuore di un plasma sono generate dalla ionizzazione, frammentazione ed eccitazione delle molecole originarie; esse sono inoltre responsabili degli effetti generati dall’interazione tra l’ambiente di plasma ed il substrato, in relazione alle condizioni di processo (tipo di gas, potenza erogata, pressione, frequenza dell’eccitazione e tempo d’esposizione). Un’esemplificazione dei meccanismi di interazione plasma-superficie è data nella Fig.5.

Plasmi di gas non polimerizzabili, come argon, elio, ossigeno, azoto e anidride carbonica, generalmente intervengono sulla morfologia superficiale aumentando anzitutto la rugosità superficiale e la superficie specifica. Le specie ioniche e neutre collidono con le molecole della superficie del substrato inducendo un etching di tipo fisico: di conseguenza, le lunghe catene macromolecolari costituenti il substrato vengono spezzate in frammenti più piccoli (scissione di catena).

L’etching è un processo di rimozione fisica di materia dalla superficie del substrato, e per ottenere questo tipo di azione si adottano principalmente plasmi di gas non polimerizzabili, quali Ar, He, O2, N2, CF4 e CO2 e altri.

Nei trattamenti al plasma si è dimostrato che l’etching non danneggia le proprietà fisiche del substrato, poiché la sua azione interessa solamente uno strato dell’ordine di poche centinaia di Ǻngstrom. La morfologia superficiale e la micro-rugosità ne sono invece fortemente influenzate: i principali protagonisti dell’effetto di etching sono gli ioni che, accelerati nel plasma, entrano in collisone con la superficie esposta effettuando una vera e propria azione di bombardamento. La zona che subisce maggiormente questa azione è la frazione amorfa, data la sua maggior fragilità e penetrabilità (si parla in questo caso di etching selettivo). Esistono diversi metodi per investigare queste proprietà superficiali: tra questi, i più noti sono la microscopia a scansione elettronica (SEM) e la microscopia a forza atomica (AFM).

A tutti questi fenomeni vanno sommati gli effetti della presenza di particelle reattive di varia specie generate nel plasma che, reagendo col substrato, introducono gruppi funzionali e radicalici sulla superficie.

La formazione di questi terminali radicalici liberi, rende il substrato a sua volta molto reattivo, capace quindi di una serie di reazioni superficiali in grado di modificare notevolmente la morfologia iniziale. In particolare, le specie radicaliche del plasma e quelle presenti sulla superficie interagiscono vicendevolmente introducendo nuovi gruppi funzionali, la cui varietà è funzione del tipo di plasma utilizzato.

Da non trascurare è anche l’effetto di cross-linking reso possibile dall’abbondanza di radicali nel substrato: in questo caso a reagire sono due molecole del substrato stesso che creano legami intercatena tramite ricombinazione radicalica.

Oltre all’ossigeno e all’argon, anche l’azoto può essere impiegato come gas per la produzione di plasma a scopi idrofilizzanti: è infatti capace di funzionalizzare il polimero con gruppi dalle caratteristiche polari. In particolare, l’azoto è accompagnato dalla formazione di gruppi azotati come ammine, immine e gruppi ammidici dalle chiare proprietà idrofile.

La decisione di effettuare un trattamento al plasma per incrementare l’idrofilia del polimero in questione è dettata quindi da questo tipo di considerazioni e dai risultati che si sono ottenuti su materiali tessili, su fibre sintetiche e su polimeri, descritti in letteratura.

L’utilizzo di plasma come gas principale di processo consente di ottenere un tipo di contatto innovativo tra le fasi solido e gas, capace di assicurare un’interazione efficace in tempi relativamente brevi.

I processi realizzabili con l’apparecchiatura dell’invenzione sono, ad esempio, i processi di polimerizzazione in stato solido, i processi di trattamento di materiali fibrosi per variarne le caratteristiche tintoriale, o i processi di coating o di grafting su materiali particellari.

Sono realizzabili anche tipologie di processo che non comportano l’uso di plasma ma che utilizzano lo stesso concetto geometrico e fluido-dinamico. Sono da considerarsi i processi in cui sia la fase solida a beneficiare del trattamento mentre quella gas sia la fonte reattiva del sistema, dove l’elevata reattività della fase gassosa decade rapidamente nel tempo e nello spazio.

In alternativa ad un solido particellare si può prevedere l’alimentazione di un fascio di fibre continuo (tops, tow, stoppino, ecc) che attraversa il reattore su tutta la lunghezza e subisce l’azione del plasma; a seconda del materiale e del tipo di plasma, svariati meccanismi reattivi possono variare le proprietà chimico/fisiche del solido (ad esempio le proprietà tintoriali e l’idrofilia).

Uno schema a blocchi di un processo realizzabile con l’apparecchiatura secondo l’invenzione è illustrato in Fig.6.

Si sono descritte alcune forme di attuazione preferenziali dell’invenzione, ma essa è suscettibile di numerose modifiche e varianti nell’ambito della medesima idea inventiva definita nelle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura (10) per realizzare un’interazione tra un fluido ed un solido (13) in cross-flow, comprendente una cavità cilindrica (12) provvista di almeno un’apertura (18; 19) di carico e scarico di detto solido, caratterizzata dal fatto di comprendere: - una feritoia (14; 15) estendentesi in direzione tangenziale rispetto a detta cavità cilindrica (12); - un’apertura allungata distanziata da detta feritoia (14; 15) e sostanzialmente parallela alla stessa, provvista di mezzi (16) di trattenimento di detto solido e di fuoriuscita di detto fluido; tale per cui mediante immissione di un fluido da detta feritoia (14; 15) e scarico dello stesso da detta apertura distanziata si instaura un flusso vorticoso di detto solido e detto fluido secondo una traiettoria sostanzialmente circolare (B) o a spirale (B’) in prossimità della parete di detta cavità cilindrica (12).
2. 2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta feritoia tangenziale (14) è costituita da un’apertura allungata continua.
3. 3. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta feritoia tangenziale (14) è costituita da una serie di fori (15) adiacenti e sostanzialmente allineati.
4. 4. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta apertura di carico e scarico di detto solido è costituita da un foro di entrata (18) posto ad un’estremità di detta cavità cilindrica (12) e da un foro di uscita (19) posto all’estremità opposta di detta cavità cilindrica (12), detta apertura provvista di mezzi (16) di trattenimento di detto solido e di fuoriuscita di detto fluido essendo posta tra detti fori di entrata e uscita del solido.
5. 5. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere condotti di raffreddamento (20, 21, 22, 23) in prossimità di detta cavità cilindrica (12).
6. 6. Processo di interazione tra un fluido ed un solido, comprendente l’introduzione del solido e di un fluido destinato ad interagire con detto solido in una cavità cilindrica, caratterizzato dal fatto che detto fluido è immesso in detta cavità cilindrica secondo una direzione tangenziale (A) tramite un feritoia che si estende lungo la parete cilindrica di detta cavità cilindrica ed è scaricato da un’apertura parallela ma distanziata rispetto a detta feritoia, tale per cui si instaura un flusso vorticoso ed il solido introdotto nella cavità acquista una traiettoria circolare o a spirale.
7. 7. Processo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto solido viene introdotto in modo continuo ad una estremità della cavità cilindrica e scaricato in modo continuo all’estremità opposta della cavità cilindrica, realizzandosi un trasporto di tipo pneumatico con traiettoria del fluido e del solido a spirale (B’).
8. 8. Processo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il fluido è un gas ionizzato o plasma o altro gas di elevata reattività.
9. 9. Processo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il solido è costituito da particelle polimeriche.
10. 10. Processo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il fluido è un gas ionizzato o plasma o altro gas di elevata reattività ed il solido è costituito da fibre di materiale tessile.