ITPI20080084A1 - Metodo e apparecchiatura per scambio di materia gas - liquido - Google Patents

Description

“METODO E APPARATO PER SCAMBIO DI MATERIA GAS-LIQUIDO†,

DESCRIZIONE

Ambito dell’invenzione

La presente invenzione riguarda un metodo per operazioni di scambio di materia tra una sostanza gassosa ed un liquido. In particolare, il metodo à ̈ utile per l’assorbimento di un componente gassoso in un liquido, o per abbattere particolato solido da un gas. L’invenzione riguarda inoltre un apparato per attuare tale metodo.

L’assorbimento può basarsi su un semplice equilibrio di solubilità del componente gassoso nel liquido, o prevedere inoltre una reazione chimica tra il componente ed una sostanza presente nel liquido; scopo dell’assorbimento può essere purificare il gas, ad esempio un effluente industriale o fumi da un impianto di combustione, oppure produrre una soluzione del componente assorbito o di un suo prodotto di reazione.

Con sostanza gassosa o gas si intende un aeriforme in genere, ossia un gas propriamente detto o un vapore condensabile.

Brevi cenni alla tecnica nota

Per effettuare operazioni di trasferimento di materia tra un liquido ed un gas occorre in primo luogo realizzare una superficie di scambio tra le due fasi; allo scopo, si suole disperdere il più possibile le fasi, ed in particolare quella in cui à ̈ maggiore la resistenza al trasferimento.

Sono note apparecchiature per realizzare uno scambio di materia tra un gas ed un liquido, in particolare l’assorbimento di un gas in un liquido, in cui la complessità realizzativa e gli oneri di esercizio dipendono dal grado di dispersione di una od entrambe le fasi coinvolte. Tra le apparecchiature in cui si disperde soprattutto la fase liquida vi sono le colonne a riempimento, che hanno noti problemi di costo e gestionali, e le colonne a pioggia o “spray tower†. Queste ultime utilizzano tubi forati o erogatori di vario tipo per creare una pioggia che entra in contatto con una corrente di un gas, in un contenitore solitamente verticale. Le spray-tower hanno il vantaggio di essere semplici da realizzare, ma il loro campo di impiego à ̈ limitato dal trascinamento del liquido nel gas, sotto forma di gocce, tanto maggiore quanto più queste sono piccole e quindi disperse, e quanto più alta à ̈ la velocità del gas. Il trascinamento comporta in genere ulteriori operazioni di separazione; per contenerlo si adottano di solito basse velocità del gas, in particolare comprese tra 0,3 e 1,2 metri al secondo; ciò richiede tuttavia, a parità di portata, sezioni di passaggio molto grandi, incrementando il costo dell’apparecchiatura.

Un’altra limitazione delle spray tower à ̈ la difficoltà di trattare efficacemente correnti gassose contenenti particelle di dimensioni molto fini; in particolare, risulta difficile rimuovere da un gas polveri sottili ovvero particelle di diametro inferiore a 15 micron.

Sintesi dell’invenzione

È quindi scopo della presente invenzione fornire un metodo ed un apparato per effettuare scambio di materia tra un gas ed un liquido, in particolare operazioni di assorbimento di un componente da un gas in un liquido, in cui il liquido forma una fase dispersa in particelle di dimensione predeterminata ed inferiore a 500-1000 micron, senza apprezzabile trascinamento del liquido nel gas.

È inoltre scopo della presente invenzione fornire siffatti metodo ed apparato che permettano di assorbire un gas in un liquido quando la resistenza al trasferimento di materia in fase liquida à ̈ prevalente, senza ricorrere a corpi di riempimento.

È ulteriore scopo della presente invenzione fornire un metodo ed un apparato per depurare in un gas da polveri fini mediante assorbimento in un liquido, in particolare da polveri di dimensioni inferiori a 10÷15 micron.

È in sintesi scopo della presente invenzione fornire un apparato per trasferire un componente da un gas in un liquido, avente semplicità realizzativa e gestionale paragonabile a quella delle spray-tower, superandone gli inconvenienti.

Questi ed altri scopi sono raggiunti attraverso un apparato per scambio di materia tra un gas ed un liquido, comprendente almeno una prima e una seconda camera, dove ciascuna camera ha:

– una luce di ingresso ed una luce di uscita per il gas, – una sezione di ingresso ed una sezione di uscita per il liquido,

– mezzi di distribuzione del liquido nella sezione di ingresso, con cui il liquido interagisce formando una corrente liquida dispersa che fluisce in ciascuna delle camere secondo una direzione ed un verso predeterminato; la caratteristica principale dell’apparato à ̈ di prevedere un passaggio tra la luce di uscita del gas della prima camera e la luce di ingresso del gas della seconda camera, in modo che il gas fluisca tra la luce di ingresso della prima camera e la luce di uscita della seconda camera e percorra la prima camera in un verso uguale al verso della corrente liquida, e la seconda camera in un verso opposto al verso della corrente liquida, o viceversa.

L’apparato può comprendere ulteriori camere, in numero dispari o pari, preferibilmente l’apparato può essere formato da uno, due, o tre moduli costituiti da due camere come sopra descritto.

In particolare, il liquido si muove verso il basso per gravità nelle camere, che hanno forma allungata e sono disposte verticalmente, ed il gas attraversa la prima camera dal basso verso l’alto e la seconda camera dall’alto verso il basso, o viceversa.

Con l’apparato sopra descritto, la superficie di contatto tra il gas ed il liquido può essere aumentata senza introdurre corpi di riempimento, bensì incrementando il numero di moduli collegati in serie. Inoltre, grazie al percorso labirintico cui il gas à ̈ obbligato, à ̈ possibile assegnare un tempo di permanenza opportuno adatto al processo, ed assicurare quindi un efficiente contatto tra il gas ed il liquido.

L’apparato sopra descritto non impone limitazioni significative al diametro delle gocce di liquido. Esso, infatti, può essere anche inferiore ai 500 micron, valore limite minimo caratteristico delle spray-tower, in quanto il percorso labirintico tra le varie camere in serie rende poco importante il fenomeno del trascinamento. Se si opta per gocce di dimensioni maggiori, ad esempio superiori a 1000 micron, à ̈ possibile realizzare il processo di assorbimento incrementando il tempo di permanenza del gas, ossia aumentando il numero di camere in serie.

Per lo stesso motivo, La velocità del gas può essere nettamente superiore a 1,2 metri al secondo, e quindi à ̈ possibile trattare una quantità di gas superiore, a parità di sezione della colonna, rispetto ad un’apparecchiatura convenzionale come una spray-tower.

Le dimensioni contenute delle camere, sia in termini di diametro che di altezza, rendono il sistema costruttivamente più semplice delle spray-tower; inoltre, l’altezza modesta delle camere consentita limita i problemi di stabilità verticale, poiché la lunghezza del percorso necessaria alla realizzazione del processo può essere distribuita tra più camere collocate sulla stessa linea di base.

Nel caso di gas contenenti polveri fini da rimuovere, grazie al percorso labirintico ed agli elevati tempi di permanenza realizzabili, il particolato ha modo di umettarsi nel liquido prima che il gas abbandoni l’apparato, e per questo non vi sono limitazioni inferiori alle dimensioni delle particelle solide, che possono essere anche inferiori ai 15-20 micron trattabili con le spray-tower.

Vantaggiosamente, l’apparato ha mezzi di circolazione per ricircolare il liquido da una sezione di uscita ai mezzi di distribuzione di una sezione di ingresso; i mezzi di circolazione comprendono preferibilmente una pompa ed una pluralità di tubazioni. In questo modo, il liquido può essere portato a contatto più volte con la corrente di gas: ad esempio, in un processo di assorbimento di un componente da una corrente gassosa in un liquido, questo fatto consente di sfruttare il potere solvente del liquido fino ad un limite di convenienza predeterminato. In particolare, se l’operazione à ̈ condotta in continuo, cioà ̈ con una alimentazione ed un prelievo permanenti di liquido, i mezzi di circolazione permettono di imporre un tempo di contatto in base alle esigenze del processo di scambio realizzato attraverso l’apparato.

In una forma realizzativa particolare, la prima e la seconda camera sono definite da un contenitore e da una parete divisoria interna ad esso, ed il passaggio à ̈ un foro passante di praticato nella parete divisoria. Tale forma realizzativa à ̈ vantaggiosa, in particolare, quando debbono essere trattate quantità/portate modeste di gas o di liquido, fornendo una soluzione compatta e di ingombro limitato. Nel caso di apparati di piccola taglia, il contenitore ha preferibilmente sezione trasversale quadrangolare: tale forma realizzazione semplifica particolarmente la costruzione.

Vantaggiosamente, la o ciascuna camera ha un fondo, ed una luce di ingresso o uscita del gas à ̈ disposta in una porzione inferiore della camera, ad una distanza dal fondo tale che un battente prefissato del liquido si forma al di sotto della luce. La presenza di un battente di liquido a monte dei mezzi di circolazione rende più regolare e sicura la marcia dei mezzi di circolazione del liquido, esigenza particolarmente sentita quando i mezzi per ricircolare il liquido comprendono una pompa di tipo centrifugo e/o quando il liquido à ̈ infiammabile o instabile.

Preferibilmente, à ̈ prevista una connessione tra porzioni inferiori delle due camere in modo da permettere drenaggio di liquido tra le camere, con il battente che oppone tenuta al passaggio di gas tra le camere attraverso la connessione. In questo modo vengono semplificati mezzi e modalità di prelievo e drenaggio del liquido al termine di una lavorazione.

In una forma realizzativa particolare, i mezzi di distribuzione in detta sezione di ingresso comprendono un piatto forato avente fori passanti tali che una portata prefissata di liquido alimentato superiormente al piatto fluisca attraverso i fori formando una fase dispersa uniforme che fluisce verso il basso in una delle camere, e tali che si formi un battente stabile del liquido sopra il piatto per opporre tenuta al passaggio del gas attraverso i fori. In questo modo il gas à ̈ obbligato a seguire il percorso labirintico prescritto, senza che se ne abbia fuoriuscita dall’alto della camera, o si formi una sacca in una porzione superiore chiusa della camera.

Gli scopi sopra elencati, ed altri, sono altresì raggiunti attraverso un apparato per scambio di materia tra un gas ed un liquido, comprendente una pluralità di camere, dove ciascuna camera ha:

– una luce di ingresso ed una luce di uscita per il gas, – una sezione di ingresso ed una sezione di uscita per il liquido,

– mezzi di distribuzione del liquido nella sezione di ingresso, in modo che il liquido interagisca con i mezzi di distribuzione formando una fase liquida dispersa che fluisce in ciascuna camera secondo una direzione ed un verso predeterminato;

la caratteristica principale dell’apparato à ̈ di prevedere un passaggio tra la luce di uscita di ciascuna camera e la luce di ingresso di un’altra camera, in modo che il gas fluisca entro un primo gruppo di camere con un verso uguale al verso della fase liquida dispersa, e fluisce entro un secondo gruppo di camere con un verso opposto al verso della fase liquida dispersa.

Gli scopi sopra indicati, ed altri, sono altresì raggiunti attraverso un metodo per scambio di materia tra un gas ed un liquido, che prevede le fasi di

– predisposizione di una pluralità di camere,

– definizione di un percorso entro le camere tra una prima camera ed un’ultima camera,

– passaggio del gas lungo il percorso,

– passaggio del liquido attraverso le camere in forma dispersa, il liquido avendo un verso in ciascuna delle camere,

in cui il gas fluisce in un primo gruppo di camere nello stesso verso del liquido, e fluisce in un secondo gruppo di camere nel verso opposto al verso del liquido.

Preferibilmente, ogni camera ha due sole aperture collegate con aperture di altre camere, ed il percorso tra la prima e l’ultima camera à ̈ unico. In altre parole, le camere sono collegate in serie, e sono percorribili dal gas secondo tale serie da una prima ad un’ultima camera.

In particolare, il gas fluisce in una camera del primo gruppo alternata ad una camera del secondo gruppo.

In particolare, il liquido si muove verso il basso per gravità e il percorso à ̈ formato da una successione di porzioni di percorso verticali.

Vantaggiosamente, il metodo prevede una fase di circolazione del liquido tra sezioni di uscita e sezioni di ingresso di rispettive camere.

Preferibilmente, à ̈ prevista una fase di predisposizione di una quantità del liquido in un contenitore connesso con i mezzi di prelievo, in una porzione inferiore di una delle camere; tale predisposizione à ̈ seguita dalla fase di circolazione. In una prima modalità operativa, discontinua o batch, il liquido non subisce ricambio, e la circolazione non viene arrestata fino al verificarsi un criterio assegnato, dopodiché il liquido viene sostituito integralmente, per eventualmente effettuare un nuovo ciclo. Il criterio di arresto può essere un periodo di tempo assegnato, oppure il raggiungimento di una concentrazione assegnata del componente assorbito nel liquido. In una secona modalità operativa, continua, una quantità di liquido può essere rinnovata secondo una portata assegnata, o meglio secondo un rapporto assegnato tra la portata di circolazione e la portata di ricambio. Attraverso tale rapporto, viene assegnato il tempo di contatto tra il liquido ed il gas. Il ciclo di lavoro, o campagna di lavorazione può avere durata indefinita.

Il metodo e l’apparato sopra descritti possono essere impiegati per effettuare, in particolare, operazioni di trasferimento di un componente da una sostanza gassosa in un liquido, dove il liquido à ̈ atto a ricevere il componente, e contiene o meno specie chimicamente reagenti con il componente.

In particolare, possono essere effettuate operazioni di

– purificazione di una corrente reflua di un processo, la corrente contenendo inquinanti ambientali e/o sostanze odorigene e/o polveri,

– purificazione di una corrente interna o in alimentazione di un processo, la corrente contenendo sostanze limitanti esito positivo di operazioni del processo,

– ottenimento di una soluzione di una sostanza derivata da interazione del componente con il liquido.

Breve descrizione dei disegni

L’invenzione verrà di seguito illustrata con la descrizione che segue di sue forme realizzative, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi in cui:

– la figura l mostra una prima forma realizzativa dell’apparato secondo l’invenzione per l’assorbimento di un componente da una corrente gassosa in un liquido,

– la figura 2 mostra più in dettaglio, e senza fluidi di processo, l’apparecchiatura rappresentata in figura 1, – la figura 3 à ̈ una sezione trasversale dell’apparecchiatura rappresentata in figura 2,

– le figure 4 e 5 mostrano rispettivamente membrature principali e pareti interne dell’apparecchiatura di figura 2,

– la figura 6 à ̈ una vista di un piatto di distribuzione del liquido per l’apparecchiatura di figura 3,

– la figura 7 à ̈ un diagramma di flusso dell’apparato di figura 1,

– la figura 8 mostra schematicamente una seconda forma realizzativa dell’apparato secondo l’invenzione per l’assorbimento di un componente da una corrente gassosa in un liquido,

– la figura 9 à ̈ un diagramma di flusso dell’apparato di figura 8,

– la figure 10 mostra più in dettaglio l’apparecchiatura rappresentata in figura 9,

– la figura 11 mostra schematicamente un ugello per la distribuzione del liquido come nell’apparato di figura 9, con il relativo cono di erogazione,

Descrizione di forme realizzative preferite

Con riferimento alle figure da 1 a 6, viene descritto un apparato 100 secondo una prima forma realizzativa dell’invenzione, adatta per unità di piccole dimensioni, per assorbire un componente di un gas 1 in un liquido 2. Un’apparecchiatura 30 comprende un contenitore 31 (figure 2 e 4) a forma a parallelepipedo rettangolo con luci di ingresso ed uscita 6 e 14 per il gas 1. Tale forma à ̈ scelta per la semplicità costruttiva, ma à ̈ possibile anche una geometria ad esempio cilindrica. All’interno del contenitore 31 à ̈ disposto verticalmente un setto 36 (figura 5) formato da due coppie 37 e 38 di pareti divisorie disposte a formare una croce, che assieme alle pareti esterne del contenitore 31 definiscono quattro camere di assorbimento 7,9,11,13 (figura 3) aventi ugual sezione rettangolare. Su tre pareti divisorie del setto a croce 36 sono praticati altrettanti fori 8,10,12 (figure 2 e 5) per il passaggio del gas dalla camera 7 alla camera 13 in sequenza attraverso le camere 9 e 11. La posizione dei cinque fori 6,8,10,12,14 à ̈ tale che il gas, sottoposto ad una pressione decrescente tra il foro 6 ed il foro 14, percorre verso l’alto le camere 7 e 11, e verso il basso le camere 9 e 13. Il contenitore 31 ha inoltre due fori 18 e 19, centrati nelle facce superiore 25 e inferiore 26 del contenitore 31, per l’ingresso e l’uscita del liquido. Alla sommità del setto a croce 36 à ̈ disposto un piatto distributore 40 (figure 2 e 6) nel quale sono praticati fori 41, ad esempio fori circolari allineati secondo righe parallele. Il diametro ed il numero dei fori 41 à ̈ stabilito in modo che, alimentando una portata prefissata di liquido attraverso il foro 18, sul piatto 40 si formi un battente 32 di liquido (figura 1) sostanzialmente stazionario ad una quota b rispetto al piatto 40, che percola attraverso i fori 41 del piatto 40 in modo sostanzialmente uniforme nelle quattro camere 7,9,11,13. Il battente 32 à ̈ inoltre tale da impedire il passaggio di gas attraverso il liquido. In altre parole, il battente 32 costituisce un mezzo di distribuzione del liquido ed un mezzo di tenuta per il gas, che à ̈ obbligato ad attraversare i fori 8 e 12 senza formare sacche stagnanti nella parte alta delle camere di assorbimento 7 e 11, ovvero senza fuoriuscire da tali camere in una possibile variante realizzativa, non rappresentata, a cielo aperto. In alternativa al piatto 40, la dispersione uniforme del liquido può essere realizzata mediante un ugello distributore 90 (figura 11).

Nelle camere 7,9,11,13 si forma quindi una corrente liquida dispersa ed uniforme 3 di liquido (figura 1), che percorre le camere 7 e 11 in controcorrente, e le camere 9 e 13 in equicorrente rispetto al flusso del gas 1. In questa forma realizzativa, il liquido 2 à ̈ alimentato in parallelo alle camere 7,9,11,13, ossia una stessa corrente di liquido à ̈ suddivisa in quattro porzioni alimentate ad altrettante camere.

Il liquido della corrente 3 si raccoglie in una porzione inferiore di ciascuna camera formando un battente di fondo o piede 33. Le porzioni inferiori delle singole camere comunicano attraverso luci di passaggio 35 realizzate nel bordo inferiore delle pareti divisorie delle coppie 37, 38 del setto a croce 36 (figura 5), e tali da garantire una sostanziale omogeneizzazione del liquido raccolto nel piede 33, che oppone tenuta al passaggio di gas da una camera di assorbimento alle camere successive secondo il percorso del gas, aventi una pressione inferiore, una volta che il piede di liquido 33 ha raggiunto un’altezza prefissata p.

Ciascuna delle quattro camere 7,9,11,13 comunica con il foro di uscita 19, collegato mediante una tubazione 20 con l’aspirazione di una pompa 16; in mandata a tale pompa à ̈ disposta una tubazione 17 che permette di riciclare il liquido prelevato dal piede 33 in testa alle camere di assorbimento 7,9,11,13, vale a dire sul piatto distributore 40. Una coppia di valvole 21 e 22 permette di commutare l’aspirazione della pompa 16 dall’apparecchiatura 30 a mezzi di alimentazione del liquido, non rappresentati, collegati all’apparato 100 mediante la tubazione 34. Similmente, una coppia di valvole 23 e 24 permette di commutare la mandata della pompa 16 dall’apparecchiatura 30 a mezzi di raccolta di liquido, non rappresentati, forniti ad esempio da un serbatoio di stoccaggio, collegato con l’apparato attraverso la tubazione 29.

L’apparato 100 à ̈ rappresentato in modo più schematico in figura 7, ove sono omesse le valvole 21,22, 23,24 e sono invece visibili strumenti 91 e 92 per la misura diretta o indiretta della concentrazione, rispettivamente nel gas e nel liquido, di uno o più componenti trasferiti mediante l’apparato 100 dal gas 1 al liquido 2.

L’apparato 100 può essere utilizzato secondo una modalità discontinua ossia in batch, come viene descritto con riferimento alle figure 1 e 7:

a) una quantità di liquido 2 viene caricata nell’apparato, attraverso la tubazione 34, raccogliendo tale quantità in una porzione inferiore delle camere 7,9,11,13 in modo da costituire un piede 33 di liquido (figura 1, ovviamente, il liquido 2 può essere alimentato attraverso un bocchello laterale, non rappresentato, su una parete del contenitore 31); quindi,

b) attraverso la pompa 16 il liquido viene fatto circolare tra la sezione di uscita nel fondo e la sezione di distribuzione nella parte alta delle camere 7,9,11,13, in modo che le camere 7,9,11,13 siano interessate da una corrente liquida dispersa 3 di liquido; contemporaneamente, attraverso la tubazione 5 ed il foro 6 il gas 1 viene alimentato all’apparecchiatura 30, attraversata dal gas secondo il percorso definito dalle camere 7,9,11,13 e dalle luci di passaggio 6,8,10,12,14, in modo da realizzare un contatto tra la corrente liquida dispersa 3 discendente ed una corrente gassosa ascendente (camere 7 e 11) o discendente (camere 9 e 13). La portata di riciclo del liquido viene stabilita in base al processo, tipicamente in base alla solubilità del gas 1 da assorbire, tuttavia un valore minimo di riferimento, valido per un buon numero di operazioni di assorbimento, à ̈ quello che corrisponde a dieci ricicli/ora dell’intera quantità di liquido contenuta nell’apparecchiatura.

c) la fase precedente prosegue fintantoché non si verifica una condizione di fine-ciclo che può essere:

- il raggiungimento di una concentrazione desiderata del componente assorbito nel liquido, quando lo scopo principale à ̈ ottenere una soluzione del componente nel liquido, o di un prodotto di reazione del componente nel liquido, tale soluzione avendo valori di specifica prefissati;

- il superamento di limiti ammissibili di concentrazione del componente residuo nella fase gassosa, quando lo scopo à ̈ ottenere un gas esente o con un ridotto contenuto del componente assorbito, come avviene in operazioni di purificazione di gas emessi in atmosfera o destinati a trasformazioni che non tollerano una concentrazione del componente superiore ad un valore prefissato;

- la realizzazione di un prefissato numero di ricicli del liquido, dettato dall’esperienza in processi conosciuti, ovvero lo scadere di un dato tempo di trattamento in condizioni di portata di riciclo prefissate.

I valori di concentrazione del componente nel gas e/o nel liquido sono determinati attraverso rispettivi strumenti 91 e 92, secondo una frequenza di campionamento dipendente dallo strumento utilizzato e dalle necessità del processo. In particolare, nel caso del liquido si può avere una misura diretta della concentrazione, o di una variabile di più facile determinazione come torbidità o densità, quando queste grandezze siano correlabili in modo attendibile con la concentrazione, oppure nel caso in cui le specifiche di processo siano formulate con riferimento a tali grandezze. d) L’alimentazione del gas all’apparato 100 viene sospesa, così come il ricircolo del liquido, tipicamente mediante apertura della valvola 24 e chiusura della valvola 23 in modo da allontanare il liquido dall’apparato 100 mediante la pompa 16 e la tubazione 29.

In alcuni casi, ad esempio quando si devono trattare correnti interne o reflue di processi continui, o fumi di impianti di combustione a servizio continuo, l’operazione di assorbimento non può essere interrotta. In questi casi l’apparato 100 può essere esercito secondo la modalità discontinua sopra descritta, prevedendo due apparati in parallelo, e commutando la corrente gassosa dall’uno all’altro apparato alla fine di ogni ciclo di assorbimento; con maggiori vantaggi, l’apparato 100 può essere utilizzato in questo caso secondo una modalità continua, nella quale una corrente di liquido viene alimentata ed estratta con continuità dall’apparato 100 rispettivamente mediante le tubazioni 34 e 29. In tal caso, se la marcia dell’apparato à ̈ regolare, la concentrazione del componente assorbito à ̈ sostanzialmente costante nelle correnti in uscita dall’apparato 100 durante un’intera fase di esercizio o campagna di lavorazione. Più in dettaglio,

a) una quantità di liquido 2 fresco può essere caricata nell’apparato a inizio campagna, attraverso la tubazione 34, raccogliendo tale quota in una porzione inferiore delle camere 7,9,11,13 in modo da costituire il piede 33 di liquido, secondo quanto già descritto; quindi,

b) attraverso la pompa 16 il liquido presente nell’apparato viene fatto circolare tra il fondo delle camere 7,9,11,13 e il foro di alimentazione 18, in modo che le camere 7,9,11,13 siano interessate da una corrente liquida dispersa ossia da una pioggia fine 3 di liquido; c) contemporaneamente, attraverso la tubazione 5 ed il foro 6 il gas 1 viene alimentato all’apparecchiatura 30, che viene attraversata dal gas secondo il percorso definito dalle camere 7,9,11,13 e dalle luci di passaggio 6,8,10,12,14; in tal modo si realizza un contatto tra la corrente liquida dispersa 3 discendente e la corrente gassosa ascendente (camere 7 e 11) o discendente (camere 9 e 13);

d) contemporaneamente, l’alimentazione di liquido fresco prosegue secondo una prefissata portata di alimentazione attraverso la tubazione 34, ed una portata di liquido sostanzialmente uguale viene estratta dall’apparato mediante la tubazione 29. Il rapporto tra la portata di riciclo e la portata di alimentazione/estrazione del liquido à ̈ stabilito in base alle caratteristiche del processo di assorbimento, e può essere mantenuto costante o fatto variare al variare dell’alimentazione mediante servomeccanismi, non rappresentati, che attuano un opportuno grado di apertura delle valvole 21,22, 23,24. In particolare, il decorso regolare dell’operazione di assorbimento viene assicurato determinando il valore della concentrazione del componente nel gas e/o nel liquido, o di una grandezza vicaria di tale concentrazione, attraverso gli strumenti 91 e 92; in una forma realizzativa specifica, un loop automatico di regolazione acquisisce in continuo dati di concentrazione o grandezza vicaria dagli strumenti 91 e 92, ed opera su attuatori non rappresentati delle valvole 21,22, 23,24, in modo da variare opportunamente il rapporto tra la portata di riciclo e la portata di alimentazione/estrazione di liquido.

d) le fasi precedenti continuano fintantoché non viene deciso di interrompere la campagna di lavorazione, ad esempio per interventi di manutenzione o per cambio produzione. L’allontanamento del liquido dall’apparato 100 avviene ancora attraverso la pompa 16 e la tubazione 29 come descritto parlando della modalità di utilizzo discontinua dell’apparato 100.

L’apparato 100 ora descritto à ̈ utilizzabile con vantaggio nel caso di piccole portate/quantità di gas o di liquido da trattare. Per portate/quantità più importanti à ̈ conveniente ricorrere ad un apparato 700 descritto nel seguito con riferimento alle figure 9 e 10, sempre per assorbire un componente di un gas 1 in un liquido 2. Similmente all’apparato 100, sono ancora previste quattro camere di assorbimento 57,59,61,63, percorse dal gas 2, secondo il medesimo schema a passaggi alternativamente ascendenti/discendenti in camere successive. In questo caso si tratta però di quattro apparecchiature distinte, più precisamente si tratta di colonne di assorbimento di forma cilindrica rappresentate con maggiore dettaglio in figura 10 con riferimento alla colonna 59. Sui fasciami cilindrici di ciascuna colonna sono praticati fori superiori 79,80,83,84 e fori inferiori 56,81,82,85 per il passaggio del gas, orientati come richiesto da esigenze di lay-out d’impianto; in particolare, nel caso delle colonne i fori inferiori 56 e 82 sono impiegati per l’ingresso del gas, mentre per le colonne 59 e 63 l’ingresso del gas avviene attraverso i fori superiori 80 e 84. La colonna ha inoltre fori 67 (figura 10) al centro di facce o alla sommità di fondelli superiore ed inferiore della colonna per l’ingresso e l’uscita del liquido 2. In particolare, i fori 67 sono impegnati da ugelli 76,77,78,75, indicati con 90 in figura 11, che hanno la funzione di distribuire il liquido alimentato alle rispettive colonna in modo da formare una corrente liquida dispersa ed uniforme. Il cono di diffusione formato dal liquido dopo attraversamento dell’ugello 90 à ̈ preferibilmente tale da impedire il passaggio di gas, evitando così che si formino sacche stagnanti di gas in una porzione superiore della colonna.

Come mostrato in figura 8, i fori delle coppie (79,80), (81,82), (83,84) sono collegati rispettivamente da tubazioni 58,60,62, in modo che il flusso del gas, sottoposto ad una pressione decrescente tra il foro 56 ed il foro 85, à ̈ diretto verso l’alto nelle colonne 57 e 61, e verso il basso nelle colonne 59 e 63.

Ciascuna colonna 57,59,61,63 ha rispettivi fori 42,43,44,45 di uscita per il liquido collegati con i condotti di aspirazione di rispettive pompe 51,52,53,54, sulla cui mandata sono disposte tubazioni che raggiungono, nell’ordine, gli ugelli 76,77,78,75 delle colonne 59,61,63,57. Questo assetto di pompe e tubazioni consente di riciclare il liquido che ha interagito meno con il gas alla colonna che tratta gas con maggiore concentrazione del componente da assorbire.

Come anticipato, anche in questo caso in due colonne si ha quindi una corrente liquida dispersa 3 di liquido, simile ad una pioggia sottile, che percorre le colonne e in controcorrente, e le colonne e in equicorrente rispetto al flusso 4 del gas 1. Il liquido 4 si raccoglie in una porzione inferiore di ciascuna colonna formando rispettivi battenti di fondo o piedi 46,47,48,49.

Secondo uno schema utilizzabile anche per l’apparato 100, il liquido 2 fresco viene alimentato all’apparato 700 mediante una tubazione, intercettabile con una valvola, che eroga il liquido fresco 2 direttamente in una colonna di assorbimento anziché in aspirazione di una pompa. Come mostra la figura 10, il fasciame cilindrico di ciascuna colonna presenta, in prossimità del fondo inferiore, un foro 72, utilizzato per collegare tra di loro porzioni inferiori delle colonne mediante condotti 64, in modo da consentire un solo punto di raccolta e drenaggio per il liquido da prelevare al termine di ogni lavorazione. Allo scopo, à ̈ predisposta una tubazione 68, intercettabile mediante una valvola 52, che unisce la parte inferiore delle colonne con la pompa 66, sulla cui mandata à ̈ disposta una tubazione 69 afferente a mezzi di raccolta di liquido non rappresentati, ad esempio ad un serbatoio di stoccaggio.

L’apparato 700 à ̈ rappresentato in modo più schematico in figura 9, ove sono visibili strumenti 91 e 92 per la misura della concentrazione di un componente assorbito dal gas 1 nel liquido 2, o di una proprietà correlata con tale concentrazione.

Analogamente all’apparato 100, L’apparato 700 può essere utilizzato secondo una modalità discontinua o una modalità continua. Nel primo caso:

a) una quantità di liquido 2 viene caricata nell’apparato, attraverso la tubazione 73, in modo da formare in ciascuna colonna piedi 46,47,48,49, grazie alle tubazioni 60 di collegamento tra le porzioni inferiori delle colonne;

b) attraverso le pompe 51,52,53,54, il liquido viene fatto circolare tra le porzioni di fondo delle colonne 57,59,61,63 e gli ugelli di distribuzione 76,77,78,75, di rispettive colonne 59,61,63,57, in modo che queste siano interessate da una corrente liquida dispersa ed uniforme di liquido, mentre attraverso la tubazione 55 il gas 1 à ̈ alimentato alla colonna 57; in questo modo, le colonne vengono attraversate dal gas secondo il percorso definito dalle tubazioni 58,60,62, e si realizza un contatto tra la corrente liquida dispersa 3, discendente, ed una corrente gassosa ascendente (colonne 57 e 61) o discendente (colonne 59 e 63). La portata di riciclo del liquido, suddivisa tra le pompe 51,52,53,54, viene stabilita in base al processo, tipicamente in base alla solubilità del gas da assorbire, tuttavia un valore minimo di riferimento, valido per un buon numero di processi, corrisponde a dieci ricicli/ora dell’intera quantità di liquido contenuta nell’apparecchiatura. c) la fase precedente continua fintantoché non si verifica una condizione di fine-ciclo similmente a quanto descritto trattando il funzionamento dell’apparato 100.

d) L’alimentazione del gas all’apparato 700 viene sospesa, così come il ricircolo del liquido operato dalla pompe 51,52,53,54; attraverso le tubazioni 60, il liquido raccolto nelle porzioni inferiori delle colonne fluisce verso la colonna 63 e di qui raggiunge la pompa 66 mediante la tubazione 68 previa apertura delle valvole 52 e 54, per essere rilanciato attraverso la tubazione 69 ad uno stoccaggio non rappresentato.

L’apparato 700 può essere utilizzato anche secondo una modalità continua, nella quale correnti di liquido vengono alimentate ed estratte con continuità dall’apparato 700 rispettivamente mediante le tubazioni 73 e 69. In tal caso, se la marcia dell’apparato, à ̈ regolare, la concentrazione del componente assorbito à ̈ sostanzialmente costante nelle correnti in uscita dall’apparato durante un’intera campagna di lavorazione. Più in dettaglio,

a) una quantità di liquido 2 viene caricata nell’apparato, attraverso la tubazione 73, in modo da formare in ciascuna colonna 57,59,61,63 liquido rispettivi piedi 46,47,48,49, grazie alle tubazioni di collegamento 60 tra le porzioni inferiori delle colonne,

b) attraverso le pompe 51,52,53,54, il liquido presente nell’apparato 700 viene fatto circolare tra una porzione di fondo delle colonne e gli ugelli distributori ,76,77, e 78,75 in modo che le colonne siano interessate da una corrente liquida dispersa ed uniforme di liquido;

c) contemporaneamente, attraverso la tubazione 55 ed il foro 56 il gas 1 viene alimentato alla colonna 57, in modo che le colonne 57,59,61,63 vengono attraversate dal gas secondo il percorso definito dalle tubazioni 58,60,62; in tal modo si realizza un contatto tra la corrente liquida dispersa 3 discendente e la corrente gassosa ascendente (colonne 57 e 61) o discendente (colonne 59 e 63);

d) contemporaneamente, l’alimentazione di liquido fresco prosegue secondo una portata di alimentazione attraverso la tubazione 73, ed una egual portata di liquido viene estratta dall’apparato 700 mediante la tubazione 69. Il rapporto tra la portata di riciclo e la portata di alimentazione/estrazione del liquido à ̈ stabilito in base alle caratteristiche del processo di assorbimento, e può essere mantenuto costante o fatto variare al variare dell’alimentazione mediante servomeccanismi non rappresentati. In particolare, il decorso regolare dell’operazione di assorbimento viene assicurato determinando la concentrazione del componente nel gas e/o nel liquido, attraverso gli strumenti 91 e 92; in una forma realizzativa specifica, un loop automatico di regolazione acquisisce in continuo tali dati di concentrazione e opera su attuatori non rappresentati della valvola 74, e di altre non rappresentate disposte in mandata delle pompe 51,52,53,54, in modo da variare opportunamente tale rapporto.

e) La fase precedente continua fintantoché non si decide di interrompere la campagna di lavorazione, ad esempio per operazioni di manutenzione o di cambio-produzione. L’allontanamento del liquido dall’apparato 700 avviene ancora attraverso le tubazioni 64, la colonna 63 , la pompa 66, e le tubazioni collegate 68 e 69.

Utilizzando gli apparati sopra descritti si possono effettuare operazioni realizzabili mediante colonne a riempimento, ed altre, per le quali tali colonne presentano inconvenienti. In particolare, si possono effettuare operazioni di:

- assorbimento di gas acidi in soluzioni acquose alcaline, con formazione di relativi sali, tipicamente cloruri e solfati, con possibilità di presenza di solidi sospesi nel liquido;

- deodorazione di gas mediante un opportuno solvente: ad esempio, l’acqua può essere utilizzata per composti come ammoniaca, alcoli e acidi grassi volatili; per altri composti, scarsamente solubili in acqua come composti clorurati, ammine, acido solfidrico, à ̈ necessario l’utilizzo di reagenti chimici;

- ottenimento di prodotti chimici o di soluzioni d’interesse: ad esempio per la produzione di carbonato di calcio in sospensione acquosa, a partire dell’assorbimento di anidride carbonica in una sospensione acquosa di idrossido di calcio, secondo la reazione Ca(OH)2+CO2→ CaCO3+H 120O

Al riguardo, vengono forniti nel seguito due esempi numerici. La sospensione di idrossido di partenza à ̈ al 20%; con il contributo dell’acqua di neutralizzazione prodotta, si può ottenere una sospensione di carbonato al 24%.

Esempio n. 1 – Per produrre 100 Kg/ora di CaCO3in sospensione acquosa di 24% si assorbono 44 Kg/ora di CO2in 370 Kg/ora di sospensione acquosa di CA(OH)2(pari a 322 litri/ora) nell’apparato 100. La pompa 16, volumetrica a membrana adatta a pompare soluzioni, ha una portata di 5 metri cubi/ora ed à ̈ tale da consentire di riciclare 15 volte in un’ora una carica di 322 litri. Le camere 7,9,11,13 hanno sezione quadrata di lati a,c pari a 300 millimetri, ed altezza complessiva h pari a 4000 millimetri, di cui una porzione centrale h2pari a 2200 millimetri disponibile per il contatto tra la corrente gassosa e la corrente liquida, detta porzione centrale essendo limitata dalle quote h1e h3rispettivamente del piatto 40 e dei fori 8,10,14, e rispettivamente pari a 800 e 1000 millimetri. L’altezza b del battente 32 accumulato sul piatto 40 in condizioni di regime, come le portate assegnate di gas e di liquido, à ̈ pari a 450 millimetri, mentre l’altezza p del piede 33 di liquido nella porzione inferiore di ciascuna camera 7,9,11,13 passa da un valore iniziale di 900 millimetri ad un valore finale di 450 millimetri durante la circolazione del liquido, per effetto della formazione del battente 32.

Esempio n. 2 – Per produrre 1000 Kg/ora di CaCO3in sospensione acquosa di 24% si assorbono 440 Kg/ora di CO2in 3700 Kg/ora di sospensione acquosa di CA(OH)2(pari a 3220 litri/ora) nell’apparato 700. Le pompe 51,52,53,54 hanno ciascuna una portata complessiva di 12,5 metri cubi/ora per una portata complessiva di 50 metri cubi/ora e sono tali da consentire di riciclare 15 volte in un’ora una carica di 3220 litri. Le colonne 57,59,61,63 hanno sezione circolare di diametro D pari a 850 millimetri, ed altezza complessiva H pari a 8500 millimetri, di cui una porzione centrale H2pari a 6300 millimetri disponibile per il contatto tra la corrente gassosa e la corrente liquida, detta porzione centrale essendo limitata dalle quote H1e H3rispettivamente dei fori 80 e 81 (figura 10) e rispettivamente pari a 1600 e 600 millimetri. L’altezza P dei piedi di liquido nella porzione inferiore di ciascuna colonna à ̈ intorno a 1400 millimetri.

Infine, gli apparati sopra descritti possono essere utilizzati anche per condurre operazioni di assorbimento cui sono associati effetti termici. Può risultare necessario in tal caso installare delle unità di per la somministrazione o la rimozione del calore, preferibilmente scambiatori di calore in linea lungo le tubazioni di mandata 17 (apparato 100) o 86,87,88,89 (apparato 700) delle pompe 16 o 51,52,53,54 (figure 1 e 9).

La descrizione di cui sopra di forme realizzative specifiche à ̈ in grado di mostrare l’invenzione dal punto di vista concettuale in modo che altri, utilizzando la tecnica nota, potranno modificare e/o adattare in varie applicazioni tali forme realizzative specifiche senza ulteriori ricerche e senza allontanarsi dal concetto inventivo, e, quindi, si intende che tali adattamenti e modifiche saranno considerabili come equivalenti delle forme realizzative specifiche. I mezzi e i materiali per realizzare le varie funzioni descritte potranno essere di varia natura senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione. Si intende che le espressioni o la terminologia utilizzate hanno scopo puramente descrittivo e per questo non limitativo.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un apparato per scambio di materia tra un gas ed un liquido, detto apparato comprendendo almeno una prima e una seconda camera, ciascuna di dette camere avendo: – una luce di ingresso ed una luce di uscita per detto gas, – una sezione di ingresso ed una sezione di uscita per detto liquido, – mezzi di distribuzione di detto liquido in detta sezione di ingresso, in modo che detto liquido interagisca con detti mezzi di distribuzione formando una corrente liquida dispersa che fluisce in ciascuna di dette camere secondo una direzione ed un verso predeterminato, caratterizzato dal fatto che à ̈ previsto un passaggio tra detta luce di uscita di detto gas di detta prima camera e detta luce di ingresso di detto gas di detta seconda camera, in modo che detto gas fluisca tra detta luce di ingresso di detta prima camera e detta luce di uscita di detta seconda camera e percorra detta prima camera in un verso uguale a detto verso di detta corrente liquida, e detta seconda camera in un verso opposto a detto verso di detta corrente liquida, o viceversa.
2. 2. Apparato secondo la rivendicazione 1, in cui – detto liquido si muove verso il basso per gravità in dette camere, – dette camere hanno forma allungata e sono disposte verticalmente, e – detto gas attraversa detta prima camera dal basso verso l’alto e detta seconda camera dall’alto verso il basso, o viceversa.
3. 3. Apparato secondo la rivendicazione 2, in cui sono previsti mezzi di circolazione per ricircolare detto liquido da una sezione di uscita a detti mezzi di distribuzione di una di dette sezioni di ingresso, detti mezzi di circolazione comprendendo preferibilmente una pompa ed una pluralità di tubazioni.
4. 4. Apparato secondo la rivendicazione 2, in cui detta prima e detta seconda camera sono definite da un contenitore e da una parete divisoria interna a detto contenitore, detto passaggio essendo un foro passante praticato in detta parete divisoria.
5. 5. Apparato secondo la rivendicazione 2, in cui detta o ciascuna camera ha un fondo, ed una luce per detto gas à ̈ disposta in una porzione inferiore di detta camera e ad una distanza da detto fondo in modo che un battente prefissato di detto liquido si forma e al di sotto di detta luce.
6. 6. Apparato secondo la rivendicazione 5, in cui à ̈ prevista una connessione tra porzioni inferiori di dette due camere in modo da permettere drenaggio di liquido tra dette camere, detto battente opponendo tenuta ad un passaggio di gas tra dette camere attraverso detta connessione.
7. 7. Apparato secondo la rivendicazione 2, in cui detti mezzi di distribuzione in detta sezione di ingresso comprendono un piatto forato avente fori passanti tali che una portata prefissata di liquido alimentato superiormente a detto piatto fluisca attraverso detti fori formando una corrente dispersa uniforme che fluisce verso il basso in una di dette camere, e tali che si formi un battente stabile di detto liquido sopra detto piatto per opporre tenuta al passaggio di detto gas attraverso detti fori.
8. 8. Un apparato per scambio di materia tra un gas ed un liquido, detto apparato comprendendo una pluralità di camere, ciascuna di dette camere avendo: – una luce di ingresso ed una luce di uscita per detto gas, – una sezione di ingresso ed una sezione di uscita per detto liquido, – mezzi di distribuzione di detto liquido in detta sezione di ingresso, in modo che detto liquido interagisca con detti mezzi di distribuzione formando una fase liquida dispersa che fluisce in ciascuna di dette camere secondo una direzione ed un verso predeterminato, caratterizzato dal fatto che à ̈ previsto un passaggio tra detta luce di uscita di ciascuna camera e detta luce di ingresso di un’altra di dette camere, in modo che detto gas fluisca entro un primo gruppo di camere con un verso uguale al verso di detta fase liquida dispersa, e fluisca entro un secondo gruppo di camere con un verso opposto al verso di detta fase liquida dispersa.
9. 9. Metodo per scambio di materia tra un gas ed un liquido, detto metodo prevedendo fasi di: – predisposizione di una pluralità di camere, – definizione di un percorso entro dette camere tra una prima camera ed un’ultima camera, – passaggio di detto gas lungo detto percorso, – passaggio di detto liquido attraverso dette camere in forma dispersa, detto liquido avendo un verso in ciascuna di dette camere, in cui detto gas fluisce in un primo gruppo di camere in uno stesso verso di detto liquido, e fluisce in un secondo gruppo di camere in un verso opposto a detto verso di detto liquido.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 9, in cui ogni camera ha due sole aperture collegate con aperture di altre camere, e detto percorso à ̈ unico.
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui detto gas fluisce in una camera di detto primo gruppo alternata ad una camera di detto secondo gruppo.
12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 11, in cui detto liquido si muove verso il basso per gravità e detto percorso à ̈ formato da una successione di porzioni di percorso verticali.
13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui à ̈ prevista una fase di circolazione di detto liquido tra sezioni di uscita e sezioni di ingresso di rispettive camere.