D 1 Lezione 12

Trattamento dei composti organici volatili (V.O.C. volatil organic compounds)

Definizione di VOC: sostanze che, a T=20°C, hanno tensione di vapore 0.0007 atm. E che, a pressione atmosferica, hanno una temperatura di ebollizione 260°C.

Risultano, ovviamente, di grande importanza gli aspetti correlati alla tossicità e, di conseguenza, con l’ ambiente.

A monte dell’ esigenza di effettuare un drastico trattamento dei VOC (a parte la tendenza, già in atto, alla loro forte riduzione attraverso la riconversione a prodotti ad acqua, alto solido o polvere) vanno esperiti comunque tutti gli sforzi possibili per contenerne la quantità in gioco nel ciclo produttivo (ottimizzando).

Ciò detto, i metodi utilizzabili per il loro abbattimento sono:

1) Combustione: postcombustori

2) Condensazione: consiste nel raffreddare l’ aeriforme da trattare fino alla temperatura di transizione di fase (vapore-liquido) correlata, ovviamente, alla pressione parziale del composto VOC e derivabile da equazioni tipo Antoine:

≤≥

CT

BAP

+−=log

D 2 Lezione 12

Sorge il problema, una volta condensato il componente, di separare le gocce dal flusso gassoso (in genere ciò viene effettuato mediante dispositivi inerziali).

La condensazione può spesso risultare non conveniente in quanto al di fuori del campo di buon funzionamento dei frigoriferi industriali, si può sconfinare al di sotto del punto di congelamento dei VOC medesimi per cui, ciclicamente, è necessario prevedere fasi di scongelamento (prevedibilmente con l’ onere di due unità frigorifere in parallelo) in quanto, la formazione di cristalli finisce per far collassare la capacità di scambio termico del sistema.

3) Assorbimento gas-liquido: si tratta di contattare la corrente gassosa (aria esausta contenente i VOC) con liquidi in cui i VOC medesimi siano solubili.Sono utilizzabili: acqua per sostanze idrosolubili (poco diffuse), olii di varia natura per le sostanze organiche non idrosolubili. (In genere l’ assorbimento avviene in controcorrente in torri a corpi di riempimento o a piatti)

4) Adsorbimento gas-solido : adsorbimento su carboni attivi (c.a., verranno trattati diffusamente di seguito); rotoconcentrazione dove si fa passare la corrente gassosa (aria) da trattare su zeoliti (allumino-silicati idrati di Na, Ca, K e Ba; naturali o sintetiche)

5) Biofiltrazione: i VOC vengono degradati con microorganismi (fase ancora sperimentale, tecnologia non matura).

D 3 Lezione 12

Adsorbimento su carboni attivi

Sono solidi caratterizzati da alta porosità (alta superficie specifica 1700 [m2/g] in grado di trattenere in modo selettivo (su siti attivi) le molecole di VOC (previa attivazione chimica o chimico-fisica, ad esempio con vapor d’ acqua). I legami che si creano tra le molecole di VOC adsorbite e i carbone (nei siti attivi) sono di tipo intermolecolare (principalmente forze di Van der Waals). I carboni attivi possono essere di origine minerale o vegetale (ad es. torba).

La saturazione del carbone attivo è definita dalla situazione in cui, essendo tutti i siti attivi “bloccati” da molecole di VOC, la concentrazione di VOC nella corrente di aria in ingresso al letto di carbone attivo non cambia rispetto alla concentrazione in uscita:

Concentrazione VOC ingresso letto= Concentrazione VOC uscita letto

Vengono forniti dai produttori diagrammi (di origine sperimentale) che riportano (per ogni sostanza) isoterme di adsorbimento; tali curve (isoterme) riportano

quanti grammi di VOC per unità di massa di carbone attivo è possibile adsorbire (cioè fino alla saturazione) in funzione della pressione parziale (frazione molare) del VOC presente nell’ aria (a temperatura costante)

≅

D 4 Lezione 12

frazione molare di voc nell’ aria da trattare

T1

T2

N.B. è ovvio che T1<T2 in quanto a minori temperature si ha maggiore adsorbimento

] adsorbente ca kg

adsorbito vockg[ *

iw

vocy

D 5 Lezione 12

Quantificazione dell’ adsorbimento

Nomenclatura:

Pedici: voc contaminante, ca carbone attivo, g grandezze relative al gas di trasporto (in genere aria), i condizioni iniziali del carbone attivo (cioè senza contaminazione);

Portata massiva VOC

Portata molare VOC

Massa molecolare VOC

Frazione molare VOC nel gas di trasporto

Quantità di voc che deve essere adsorbito (trattenuto dal c.a.) nell’ intervallo di tempo

Quantità di carbone attivo adsorbente

già ordinata del grafico precedente, tale grandezza è riferita

ovviamente ad una data temperatura di esercizio ed alle condizioni iniziali del c.a. (cioè senza alcuna contaminazione).

[kg/s] vocm[moli/s] gn

]kg/kmole[ vocMvocy

[kg] vocmt∆

[kg] cam ]

adsorbente ca kg

adsorbito vockg[ *

iw

D 6 Lezione 12

valgono le seguenti relazioni:

Conoscendo: e la temperatura sul diagramma precedente riportante le isoterme di adsorbimento si legge corrispondente; conoscendo (dato del problema in quanto portata massiva di voc da abbattere) dalla [1], deciso l’ intervallo di tempo in cui si fa fluire la corrente gassosa da trattare si stimano i kg. di VOC da abbattere e dalla [2] i kg. di carbone attivo necessari.

tmm vocvoc ∆= * ˙ [1][1]

*i

vocca w

mm = [2][2]

vocy*iwT

vocm

cam vocmt∆

D 7 Lezione 12

Valutazioni qualitative sulla cinetica di adsorbimento di VOC su carbone attivo

Fino ad ora non sono stati presi in esame gli aspetti della cinetica di trasferimento (di materia) delle molecole di VOC da gas a carbone attivo; si è stimata cioè solo la quantità assoluta di carbone attivo sufficiente (se raggiunge la saturazione) ad adsorbire la quantità assoluta di VOC fluente con l’ aria nel dato intervallo di tempo (è una stima cioè di condizioni di equilibrio di saturazione); in questo senso tale stima si può definire da comportamento ideale del sistema in quanto non è assolutamente affermare a priori che il tempo di contattamento tra aria e c.a. (che è l’ intervallo di tempo considerato) sia sufficiente a raggiungere la saturazione del c.a.

Le molecole di VOC infatti, per saldarsi ai siti attivi, dovranno superare resistenze diffusive nel letto granulare e, soprattutto, non si distribuiranno omogeneamente.

Per questo sarà indispensabile, ai fini ingegneristici, effettuare un confronto tra comportamento ideale e comportamento reale del sistema.

D 8 Lezione 12

AinY

AspecY

il letto è saturoAinA YY =

bt it

D 9 Lezione 12

Nel grafico precedente si leggono:

tempo ideale in cui la concentrazione di A nel gas in uscita passa a 0 (carbone attivo allo stato iniziale) a (il carbone attivo è saturo, non trattiene più nulla, la concentrazione di A in uscita è pari a quella in ingresso).

tempo (da comportamento reale) in cui il gas in uscita raggiunge la concentrazione della specifica richiesta , al quale tempo, il processo va interrotto e il carbone va cambiato o rigenerato).

La percentuale di inquinante nell’ aria in uscita dal letto, cresce, nelle condizioni reali di processo, gradualmente da 0 fino a raggiungere prima nel tempo , quindi in un tempo successivo, la concentrazione uguale a .

Il tempo chiaramente decisivo dal punto di vista della progettazione è quindi .

attivo carbone di letto dal uscitain A tecontaminan del massiva frazione=AY attivo carbone di letto al ingressoin A tecontaminan del massiva frazione=AinY

(1%) 0.01 esempio ad richiesta specifica=AspecY

=itAinY

=btAspecY

btAspecYAinY

bt

D 10 Lezione 12

Metodologia di stima della quantità di carbone necessaria e del tempo di raggiungimento delle specifiche di purezza dell’ aria in uscita dal letto ( )bt

x∆AArea trasversale

Aria entrante Aria uscente

D 11 Lezione 12

Facendo riferimento alla figura precedente:

- spessore del letto di c.a. [m]

- sezione trasversale alla direzione del moto dell’ aria del letto di c.a. [m2]

- volume del letto di c.a. [m3]

- densità (apparente in quanto implica un certo grado di vuoto) del c.a. adsorbente [kg/m3]

- densità del gas di trasporto (aria) [kg/m3]

- concentrazione della specie A (generico VOC) nel gas di trasporto espressa come

- porosità dell’ adsorbente (c.a.) cioè: %vuoto rapportato al volume totale del c.a.

- portata massiva specifica del gas [kg/(m2*s)] che è uguale a: ,dove è la velocità dell’ aria [m/s]

- è la portata massiva complessiva (aria+contaminante A) [kg/s] attraverso l’ elemento solido la cui sezione trasversale è che vale:

x∆A

xAV ∆= *Bρ

gρ

AinY

aria di kg

A di kg

F

G gv ρ* v

mA ( )AinYGAm += 1**˙

D 12 Lezione 12

Si effettui ora il bilancio materiale macroscopico del contaminante A sul volume di controllo V:

quantità Ain-quantitàAout=accumulo di A

Dove rappresenta la variazione di contaminante A adsorbito per unità di massa di c.a. [(kg A adsorbito)/(kg carbone attivo)]. Si ricorda che rappresenta le ordinate nel diagramma delle isoterme di adsorbimento.

Si ponga:

Si divida ora ambo i membri dell’ equazione di bilancio per il prodotto , si ottiene:

AgBAoutAin YFxAwxAYAGtYAGt ************* ρρ ∆+∆∆=∆−∆

w∆w

Massa A ingresso Massa A uscita Massa A adsorbita Massa A negli interstizi

(si trascura)N.B media tra e

AYAoutY AinY

xt ∆∆ *AinAoutA YYY −=∆

( )( ) ( )xt

WxA

xt

YtAG BA

∆∆∆∆=

∆∆∆∆−

*

***

*

*** ρ

D 13 Lezione 12

Passando dai rapporti incrementali alle derivate:

La [3] è un’ equazione differenziale che esprime il bilancio di massa del componente A la cui risoluzione permette di legare la variazione di (kg di A adsorbito/kg di carbone) nel tempo con la variazione della concentrazione di A ( )lungo lo spessore del letto di carbone adsorbente .

Ricordando

si ha

Dove sono, rispettivamente frazione molare di A e le masse molari di A e dell’ aria. Ricorrendo all’ equazione dei gas perfetti dalla [4] si ottiene:

Ricorrendo all’ equazione dei gas perfetti si ha:

=

−

dt

dw

dx

dYG B

A ** ρ [3][3]

wY

x∆

kgAria

kgAYA =

GAA MMy ,,

( )Ag

AAA yM

yMY

−=

1*

*[4][4]

p

p

M

M

pp

p

M

MY A

g

A

A

A

g

AA ** =

−

=

D 14 Lezione 12

Dove sono rispettivamente la pressione parziale di A e la pressione totale del sistema (in genere ).

La [3] quindi diventa:

A questo punto, conoscendo il legame tra con dalle isoterme di adsorbimento, la [5] potrebbe essere integrata numericamente cosa che hanno fatto Hougen e Mashall riportando il risultato di tale integrazione nel grafico riportato qualitativamente di seguito (assumendo l’ ipotesi che le isoterme siano rette cioè l’ ipotesi della perfetta linearità del legame tra .

ppA e ppA < < <

=

−=

−

dt

dw

dx

pp

MM

d

Gdx

dYG B

A

g

A

A *

*

** ρ [5][5]

)adsorbente di massaadsorbito/ di (massa wAp

wpA e

D 15 Lezione 12

Grafico di Hougen e Marshall (H&M)

Ain

Aout

Y

Y

aleadimension tempotb

N=0.4

N=300

N=1000

N=0.05

D 16 Lezione 12

Dove:

- è un tempo adimensionale correlato al tempo dalla relazione

- è un parametro che ha espressione:

N.B. Si rammenta che l’ incognita del problema è che rappresenta il tempo in corrispondenza del quale, a valle del filtro a carbone attivo, la concentrazione di A è pari alla specifica richiesta (ad esempio l’ 1% della concentrazione di A in ingresso).

tb Bt

b

bt tB =

è un parametro da stimare b

Bt

N

xaN ∆= * a è un parametro da determinare

D 17 Lezione 12

La procedura risulta (al di là della definizione dei parametri illustrata nel prosieguo) quindi (facendo riferimento al diagramma H&M):

1) Supposti noti si calcola

2) Si sceglie la curva corrispondente al valore di stimato (eventualmente interpolando tra le curve disponibili)

3) Conoscendo l’ ordinata (rapporto tra concentrazione di A in uscita e in

ingresso che si vuole ottenere come specifica) si legge in ascissa il corrispondente valore di da cui, supposto noto il parametro b si stima l’ incognita :

Calcolo dei parametri

ba e

ba e NN

Ain

Aout

Y

Y

tb

b

bt tB =

Bt

ba e

G

MpKaa g

pv ***=

=

G

A

B M

MacGb *

**

ρ

Parametro descritto nel prosieguoc

[1/m]

[1/s]

D 18 Lezione 12

Dove:

- è la superficie specifica del carbone [m2/m3] fornita in genere dalle specifiche tecniche

- è una costante adimensionale definita dall’ espressione

- è il coefficiente di trasferimento di massa [moli/(atm*m2*s)]

- massa molare del gas (aria)

- densità apparente del carbone adsorbente (che è poroso) [kg/m3] fornita in genere dalle specifiche tecniche

Calcolo del coefficiente di trasferimento di massa

Si assuma il flusso molare:

Va

c

pK

GMBρ

*wp

pc A=

( )AAVpA ppaKJ *** −=

sm

moliatm

m

m

satmm

moliJ A *

**** 33

2

2==

D 19 Lezione 12

Cioè rappresenta il flusso di moli di A per m3 di adsorbente dovuto alla forza motrice

Dove:

- è la pressione parziale di A nell’ aria entrante

- è la pressione parziale che eserciterebbe A se il carbone fosse saturo

Per il calcolo di si può usare la seguente relazione:

Dove:

- [kg/(m2*s)] portata massiva specifica dell’ aria (detta anche velocità di massa)

- pressione dell’ aria

- massa molare dell’ aria

- numero di Schmidt calcolato per il gas, pari a

- diffusività di A in aria

AJAA pp *−

ApAp*

pK

( ) ( )

= 3

2

**/* GGdp ScMpGjK

G

p

GM

GScGG

GG D

Sc*ρ

µ=

GD

D 20 Lezione 12

- fattore adimensionale di analogia di Chilton-Colburn funzione diel numero di Reynold e di una grandezza caratteristica (in questo caso il diametro della particella di carbone).

Applicazione numerica controllare

Calcolare la quantità di adsorbente necessaria per trattare una corrente gassosa contenente benzolo e calcolare il tempo efficace per raggiungere le specifiche di concentrazione di benzolo dell’ aria in uscita dal pannello di carboni attivi.

Dati:

=40°C =portata volumetrica di aria=2160 [m3/h]=0.6 [m3/s]

densità molare aria=41.6 [moli/m3] =viscosità dell’ aria=1.85°e-5 [Pa*s]

densità aria=1.2 [kg/m3] a 20°C (1.12 a 40°C che è la T di esercizio)

frazione molare di A (benzolo)=0.003 78. massa molare benzene

quantità di benzolo di saturazione del c.a.(da

isoterma di adsorbimento T=40°C)

Dj

Bt

T VGmρ

Gµ

GρAy =AM

=

carbone di kg

benzolo kg 25.0*

iw

D 21 Lezione 12

Specifica:massimo rapporto di concentrazione di A nell’ aria tra uscita e ingresso

Densità apparente carbone=430 [kg/m3] (precedentemente è stato efinito )

Intervallo di tempo considerato per il processo=6 [h]

area specifica del carbone attivo=1100. [m2/m3]

Diffusività del benzolo in aria=0.6°e-5 [m2/s]

Soluzione

1) Calcolo portata molare dell’ aria

2) Calcolo portata di A (benzolo)

(1%) 01.0=Ain

Aout

y

y

caρt∆va

Bρ

GD

==

s

moli 96.24* GmG Vm ρ˙

==

s

g 84.5** AAGA yMmm ˙˙

D 22 Lezione 12

4) Calcolo della quantità di benzolo che deve essere adsorbita nelle 6 ore

5) Calcolo della quantità di carbone necessaria

6) Calcolo del volume del carbone

7) Scelta dell’ area trasversale del pannello (quadrato)

8) Calcolo dello spessore del letto

.)6( =∆ tAm

[kg] 14.126* =∆= tmm AA ˙

cam

[kg] 504.625.0

144.126*

===i

Aca w

mm

caV

][m 17.1.430

6.504 3===ca

caca

mV

ρ][m 96.14.1*4.1 2==At

[m] 60.096.1

17.1 ===∆A

Vx ca

D 23 Lezione 12

9) Velocità media del gas

N.B. Questo valore di velocità (0.6 [m/s]) è sufficientemente alta per evitare canalizzazioni e percorsi preferenziali dell’ aria attraverso il letto granulare di carbone attivo.

10) Calcolo del tempo efficace

-flusso specifico di massa (velocità di massa)

-Numero di Reynolds (riferito, come lunghezza caratteristica) al diametro dei granuli di carbone ( =0.003 m):

BtG

===

svG G *m

kg 367.0306.0*2.1*

2ρ

aria) molare (massa .29=GMDove

91.5*

Re ==G

dG

µ

d

===s

m

At

Vv 306.0

96.1

6.0

D 24 Lezione 12

-Fattore di Chilton-Colburn: è calcolabile da una relazione del tipo

In questo caso si assuma il valore

-Numero di Schmidt (riferito all’ aria):

-Coefficiente di trasferimento di massa:

-Parametro

-Parametro

-Parametro

Re),(dfjd =083.0=dj

753.2*

==GG

GG D

Scρ

µ

pK

( )

==

sScMp

GjK

GG

dp *m*atm

moli 534.0

**

*2

3

2

nale)(adimensio 012.0* *

==i

A

wp

pc

==m

1 414.46***

G

MpKaa g

pv

=

=

=

h

1 602.4

s

1 00128.0*

**

G

A

B M

MacGb

ρ

D 25 Lezione 12

-Parametro

Ora, per un valore della specifica di (ordinata del diagramma di H&M, per cui la concentrazione di benzene accettabile in uscita dal letto non può superare l’1% di quella in ingresso) sul medesimo diagramma, si legge sulla curva corrispondente a , in ascissa, un valore del tempo adimensionale pari a:

Per cui

In conclusione, dopo aver calcolato la quantità di carbone necessaria (quindi lo spessore del letto ) si stima che dopo un tempo di 3 h e 2’ dall’inizio del ciclo di funzionamento, la concentrazione di benzolo a valle del filtro è l’ 1% di quella in ingresso; essendo la durata del ciclo pari a 6 h, significa che il filtro è efficiente solo per il 50% circa del tempo di funzionamento complessivo.

85.27* =∆= xaN

(1%) 01.0=Ain

Aout

y

y

85.27=Ntb

14=tb

[ ] 2'h 3h 04.3 ===b

bt tb

[ ]kg 6.504=cam[m] 60.0=∆ x

Risultato finale

D 26 Lezione 12

Ulteriori considerazioni sul trasferimento di massa nel letto di carbone attivo

La cinetica di adsorbimento, descritta nell’ esempio precedente, può essere così qualitativamente visualizzata nel diagramma seguente (con in ascissa lo spessore del letto di c.a. e in ordinata la quantità di VOC adsorbita) come divisa in 3 zone:

1° 3°2°

Quantità VOC adsorbita

Spessore del letto

D 27 Lezione 12

1° zona il mezzo adsorbente ha completato la propria funzione, la quantità di VOC adsorbita è costante, è stato adsorbito tutto l’ adsorbibile (corrispondente a quanto deducibile dalle isoterme di adsorbimento.

2° zona è in atto il trasferimento di massa che si completa all’ interno di questo strato (forti gradienti di concentrazione: si passa dal massimo adsorbibile di VOC a 0)

3° zona zona non ancora utilizzata (è 0 il VOC adsorbito), del tutto disponibile per l’ adsorbimento, man man che si esaurisce la capacità di trattenimento dell’ inquinante nelle zone precedenti.

Quindi si passa dalla situazione iniziale: zona 1 inesistente, zona 2 direttamente a ridosso dell’ ingresso del letto, la zona 3 è la parte rimanente del letto “intonsa”.

2° 3°Quantità adsorbita

Spessore del letto

D 28 Lezione 12

Ad una situazione di contemporanea presenza delle 3 zone

Ad una condizione definibile come “quasi finale” caratterizzata dalla scomparsa della 3° zona (tutto il letto ha iniziato ad adsorbire inquinante) il che corrisponde al fatto che l’ aria uscente dal letto inizia ad avere una concentrazione di inquinante non nulla

1° 2° 3°

Quantità adsorbita

Spessore del letto

Quantità adsorbita

Spessore del letto

1° 2°

D 29 Lezione 12

Si arriva così ad una situazione finale in cui tutto lo spessore del letto è saturo di inquinante:

N.B. Se la zona 2° è corta, rispetto allo spessore del letto, quindi con forte pendenza, significa, positivamente, che il fronte della zona avanza solo dopo aver completamente esaurito la capacità di adsorbimento del carbone attivo (cioè lo ha saturato) e che, complessivamente, l’ intervallo di tempo che trascorre prima che l’ aria esca dal letto di c.a (e che esca con concentrazione di inquinante non nulla) è più lungo: il letto lavora cioè in modo efficiente; vengono cioè privilegiati i percorsi secondo i piani perpendicolari alla direzione del moto dell’ aria anziché quelli paralleli, vengono evitate canalizzazioni.

Quantità adsorbita

Spessore del letto

1°

D 30 Lezione 12

Al fine di un utilizzo ottimale del letto, la zona 2° detta di “trasferimento di massa” deve essere più corta possibile.

Per questo si possono ottimizzare alcuni parametri quali:

-ridurre il diametro dei granuli di c.a. componenti il letto

-aumentare la microporosità del c.a. (scegliendo il prodotto più adatto)

-ridurre la velocità dell’ aria (scelta contraddittoria come si illustrerà in seguito)

-ridurre l’ umidità assoluta del gas di trasporto (l’ aria)

-favorire (aumentandola) la diffusione dell’ inquinante nel c.a. adsorbente (questo si ottiene principalmente aumentando la temperatura)

All’ interno di questi parametri è importante fare valutazioni più articolate a proposito di: temperatura (influenza sulla diffusione), velocità del gas (cioè la portata di aria), umidità della corrente di aria da trattare.

D 31 Lezione 12

Effetto della temperatura

Temperature superiori, come già detto, migliorano la diffusione dell’ inquinante all’ interno del letto, ma, in modo contraddittorio, aumenta la tendenza al deadsorbimento delle molecole di inquinante dai siti attivi del letto di c.a.

Condizioni di lavoro “ottime” sono di circa 40°C.

Effetto della velocità del gas (quindi della portata di aria)

Alte velocità, intuitivamente, portano ad un allungamento della zona 2° di trasferimento di massa (il letto non “lavora bene”), ma, d’ altro canto, velocità troppo basse permettono all’ aria, non essendo “forzata” nei micropori dei singoli granuli di c.a., di avere percorsi preferenziali negli interstizi vuoti del letto (fenomeno di “channelling”: canalizzazioni). Indicativamente la velocità si sceglie circa a 5 [cm/s] che corrisponde a circa 100 volte il diametro dei granuli.

Effetto dell’ umidità relativa

Elevati tenori di umidità implicano rilevante adsorbimento di vapore e formazione di acqua nei micropori (costituendo così un’ ulteriore resistenza al diffondersi delle molecole di VOC verso i siti attivi del letto di c.a.). Tale situazione, si riflette in un allungamento della zona 2° (quindi in un peggioramento delle prestazioni).

Il valore di umidità relativa non deve essere in genere superiore al 60%.

D 32 Lezione 12

Esempio numerico per condensazione di VOC

Calcolare la temperatura a cui deve essere portata una miscela di gas contenente toluene al fine di ridurne il tenore mediante condensazione (rimuoverne il 99%).

Dati:

Portata gas 1700 [m3/h] Temperatura 37.8°C

frazione molare toluene ingresso

Frazione molare toluene in uscita

Se il sistema è a pressione atmosferica la pressione parziale del toluene sarà:

Tramite l’ equazione di Antoine, da questa pressione parziale, ricaviamo la corrispondente temperatura di condensazione:

Per toluene i parametri di Antoine sono (pressioni in mm Hg):

A=6.95334 B=1343.943 C=219.377

(0.5%) 005.0=iny

(0.005%) 00005.0*99.0 =−= ininout yyy

Hg mm 0.038atm. 00005.01*00005.0 ===tolp

D 33 Lezione 12

Invertendo l’ equazione di Antoine

Pressione in mm di Hg=0.038

Temperatura di condensazione=-58.9°C

Valore di temperatura che implica, evidentemente, un drastico (costoso) processo di refrigerazione.

CT

BApLog

+−=)( C

pLogA

BT −

−=

)(

D 34 Lezione 12

Tecniche di rigenerazione dei carboni attivi

I filtri a carboni attivi esausti (saturi di VOC) sono rigenerabili rimuovendo con varie tecniche il contaminante adsorbito.

Gli impianti di rigenerazione sono classificati in: impianti a perdere e impianti con rigenerazione annessa.

Quelli a perdere sono particolarmente adatti a correnti di aria a basse concentrazioni di inquinanti (<100 ppm) per cui la frequenza di rigenerazione risulterebbe particolarmente bassa.

Quelli con rigenerazione annessa rispondono, per l’ alta contaminazione di inquinanti caratterizzante la corrente di aria da trattare, all’ esigenza di rigenerare il filtro esausto con un frequenza alta.

L’ operazione della rigenerazione è, nelle varie metodiche, condizionata dalle modalità di erogazione dell’ energia necessaria per il desorbimento dell’ inquinante fissato sui siti attivati del c.a.

L’ apporto energetico può essere sia meccanico che termico.

L’ apporto meccanico può essere legato o alla movimentazione di un fluido di servizio (che “strappa” l’ inquinante dai siti attivi a cui è legato) e/o alla formazione di un significative differenze di pressione tra letto e ambiente esterno (favorendo così l’ evaporazione del contaminante dai siti attivi).

D 35 Lezione 12

L’ energia termica viene invece fornita o per scambio indiretto (riscaldamento del letto attraverso scambiatori di calore in esso immersi) o per cessione diretta da parte del fluido di servizio (aria o gas inerte o vapore direttamente insufflati nel letto da rigenerare).

Rigenerazione in corrente di vapore diretto

E’ molto diffuso; il vapor d’ acqua viene inviato in controcorrente rispetto alla corrente di aria da depurare: diventa diventa dominante la cessione di calore latente di condensazione del vapor d’ acqua medesimo.

Nel caso, frequente, di contaminanti insolubili in H2O si ha, come effetto indesiderato ed oneroso, la formazione di rilevanti quantitativi di “acque di contatto” che vanno a loro volta trattate per separare le sostanze inquinanti dall’ H2O.

Nel caso invece di sostanze solubili in H2O tali acque di contatto vanno sottoposte a processi di distillazione.

Da ultimo, sarà necessario, dopo il passaggio del vapore, un ciclo di asciugatura del letto al fine di ripristinare condizioni ottimali di efficienza.

D 36 Lezione 12

Rigenerazione con gas inerte o aria calda

In questo caso si utilizza un flusso gassoso preriscaldato (o gas inerte o aria calda), si utilizza cioè solo calore sensibile il che implica un significativo contributo convettivo alla scambio termico e di materia. Generalmente, i vapori di contaminanti che si liberano, vengono poi condensati mediante refrigerazione.

Il gas inerte viene obbligatoriamente utilizzato come fluido rigenerante nel caso di contaminanti infiammabili (caso molto ricorrente) o, al posto del vapore d’ acqua, nel caso di inquinanti particolarmente solubili in acqua per cui, a valle, il processo di separazione risulta particolarmente oneroso (distillazione).

Rigenerazione per differenza di pressione

Tale tecnica (che favorisce l’ evaporazione dei contaminanti adsorbiti) è riferita sia a processi di adsorbimento su c.a. ad alta pressione, associati a rigenerazione a pressione più bassa che a processi di adsorbimento a pressione atmosferica seguiti da rigenerazione sotto vuoto.

In ambo i casi questo implica che tutta la componentistica sia atta a sopportare elevate differenze di pressione.

Generalmente questa operazione è associata a riscaldamento indiretto mediante utilizzo di scambiatori di calore immersi nel letto.

D 37 Lezione 12

Assorbimento dei VOC contattamento con liquido

Si tratta di abbattimento a umido di vapori di VOC (anche di particolato solido se presente) mediante contattamento con liquido assorbente (vi può essere anche assorbimento con reazione chimica tra assorbente e assorbito).

I parametri dominanti in questo caso sono la solubilità del VOC nel liquido assorbente (regolato dalla termodinamica) e la cinetica di trasferimento di massa tra vapore e liquido, cinetica legata alla tipologia della superficie di contattamento tra le fasi che deve essere necessariamente elevata (colonne a piatti, a corpi di riempimento etc.).

Il contattamento avviene in genere in controcorrente tra le correnti di vapore contenente i VOC e il liquido assorbente (a volte anche mediante flusso incrociati: liquido dall’ alto e aeriforme orizzontale).

Anche in questo caso il solvente utilizzato deve essere rigenerato; in caso di olii si ricorre a distillazione mentre, in caso di assorbimento in acqua, si possono utilizzare tecniche diverse.

D 29 Lezione 12

D 29 Lezione 12

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