La condensazione è un processo fisico che consiste nel passaggio di stato di una sostanza, dalla fase vapore alla fase liquida. Questo passaggio di stato si ottiene, a pressione atmosferica, abbassando la temperatura del sistema in cui è contenuta la sostanza da condensare. La condensazione può essere altresì ottenuta comprimendo l’effluente aeriforme fino al raggiungimento di una pressione tale per cui i vapori della sostanza da abbattere passano allo stato liquido. Ai fini della presente norma il sistema è costituito dal flusso di effluente aeriforme e dall’inquinante. Se la temperatura del sistema viene abbassata al di sotto del «punto di fusione» dell’inquinante, questo solidifica. Il quantitativo di inquinante che viene condensato o solidifica durante il processo dipende dalla sua concentrazione iniziale e dalla temperatura (o pressione) finale raggiunta dall’effluente aeriforme dopo il raffreddamento (compressione), che individua la corrispondente «concentrazione di saturazione». Il valore di tale parametro varia con la temperatura e la pressione ed è tanto maggiore quanto più elevata è la temperatura o bassa la pressione dell’effluente aeriforme. Abbassando la temperatura (o comprimendo) di quest’ultimo, si ottiene il passaggio dalla fase vapore alla fase liquida di parte dei vapori della sostanza presente, poiché nella nuova condizione di equilibrio risulta inferiore il valore della concentrazione di saturazione. A parità di temperatura finale, più alta è la concentrazione iniziale nell’effluente aeriforme e maggiore è il quantitativo di sostanza che si riesce a condensare. Nelle condizioni operative di un processo di depurazione, il contenuto effettivo di inquinante (ovvero la sua concentrazione) è raramente uguale o prossimo alla concentrazione di saturazione relativa ai parametri di esercizio (temperatura e pressione dell’effluente aeriforme); esso è di gran lunga inferiore (nell’ordine di qualche decina di volte più basso) e quindi, per ottenere la sua condensazione, occorre raffreddare (o comprimere) l’aeriforme ad una temperatura (pressione) corrispondente ad una concentrazione di saturazione che sia minore della concentrazione di esercizio. In genere questa temperatura è minore di 0°C, mentre la pressione è superiore a 2-3 atm. Condensazione e solidificazione sono processi esotermici. Dal punto di vista impiantistico occorre fare una netta distinzione tra la condensazione a pressione atmosferica e quella per compressione dell’effluente aeriforme. La più comunemente adottata nel campo dell’abbattimento di VOC presenti in effluenti aeriformi è senza dubbio quella a pressione atmosferica. La condensazione per compressione è invece più indicata per l’abbattimento di sostanze provenienti da sfiati di serbatoi o da processi (soprattutto chimici e farmaceutici) dove le portate d’aria in gioco sono molto più modeste (fino a poche centinaia di m3/h). Le tecnologie di condensazione a pressione atmosferica differiscono tra loro sostanzialmente per il tipo di fluido refrigerante utilizzato e, di conseguenza, per le temperature di condensazione raggiungibili. In tutti i casi, però, la condensazione dei vapori inquinanti avviene per via indiretta, cioè per contatto con la superficie fredda di appositi scambiatori di calore che provocano l’abbassamento di temperatura dell’effluente aeriforme; tale abbassamento di temperatura viene prodotto dalla circolazione, all’interno degli scambiatori di calore, di opportuni fluidi frigorigeni.
Impianti di condensazione ad acqua.
Utilizzano acqua di rete o acqua raffreddata mediante torri evaporative o dispositivi di raffreddamento ad aria, oppure acqua refrigerata (miscelata con glicole). La temperatura di condensazione raggiungibile non è mai inferiore a 1-2°C ed il loro impiego è consigliabile solo per concentrazioni elevate di inquinante. Vengono tipicamente utilizzati su effluenti aeriformi contenenti sostanze volatili (organiche ed inorganiche) ed odori, con concentrazioni prossime alla saturazione; gli odori vengono abbattuti se nell’aria di processo è presente umidità relativa prossima alla saturazione: il vapor d’acqua condensante opera da mezzo assorbitore, se gli odori sono solubili in acqua. Una tipica applicazione di questi impianti è il pretrattamento o il post-trattamento dell’aria di processo trattata da altre tipologie di impianti di abbattimento; utilizzata a monte di impianti quali gli adsorbitori, gli scrubber o gli inceneritori, ne riduce il carico di VOC, alleviandone il compito. Dall’altro lato, risulta vantaggioso il loro impiego nel post-trattamento di effluenti ricchi di VOC quali quelli provenienti da impianti di separazione con membrane, strippaggio di acque reflue, distillazione. Nel caso di utilizzo di acqua di rete l’impianto è costituito principalmente da uno scambiatore di calore e da un serbatoio di raccolta del condensato, eventualmente preceduto da un separatore (decantatore a gravità) se la sostanza condensata è non miscibile in acqua. Negli altri casi, il fluido di raffreddamento viene ricircolato attraverso un circuito chiuso, dotato di scambiatore di calore ad aria o frigorifero, che ne effettua il raffreddamento.
Impianti di condensazione frigorifera
La condensazione frigorifera si differenzia dalla precedente per i valori di temperatura raggiungibili, solitamente sotto zero, ma mai minori di -60°C¸-70°C. Ciò dipende dalle caratteristiche chimico fisiche del liquido frigorigeno che viene utilizzato. Nella pratica comune, i fluidi utilizzati sono gli HCFC (R22), gli HFC (di recente formulazione) ed altre sostanze quali l’ammoniaca ed alcuni idrocarburi (principalmente propano ed isopropano). La produzione di freddo avviene facendo compiere al fluido prescelto un ciclo frigorifero all’interno di un apposito circuito composto da una serie di elementi i cui principali sono il compressore frigo e l’evaporatore frigo. Il fluido subisce una serie di passaggi di stato, dalla fase vapore alla fase liquida e viceversa con conseguente cessione ed assorbimento di calore: all’interno dell’evaporatore il fluido a bassa temperatura ed in fase liquida, assorbe il calore ceduto all’effluente aeriforme in trattamento. Quest’ultimo si raffredda mentre il fluido vaporizza. Affinché il processo possa essere eseguito in continuo, il fluido vaporizzato deve essere riportato in fase liquida per potersi ripresentare all’evaporazione in condizioni tali da ripetere la sua funzione. Questo passaggio di stato viene iniziato nel compressore frigo e portato a termine nel condensatore frigo. In funzione delle caratteristiche del fluido frigorigeno e della potenza erogata al compressore frigo, il circuito è in grado di fornire all’evaporatore una quantità di energia termica sotto forma di produzione di freddo, a disposizione per la condensazione dell’inquinante. Il trasferimento di questa energia dal fluido frigorigeno all’effluente aeriforme, avviene con una certa efficienza che dipende principalmente dalla configurazione geometrica dello scambiatore e dalla corretta impostazione del tempo di contatto tra effluente aeriforme e scambiatore stesso.
Impianti di condensazione criogenica
Nella condensazione criogenica il fluido utilizzato per ottenere il raffreddamento dell’effluente aeriforme è l’azoto liquido, cioè azoto a -197°C. Il suo utilizzo permette di variare con maggiore precisione e flessibilità la temperatura dell’aeriforme e quindi ottenere l’abbattimento di una maggiore gamma di sostanze. Il trasferimento di energia termica avviene, anche in questo caso, attraverso uno scambiatore di calore, in modo indiretto (cioè non c’è un contatto diretto tra effluente aeriforme e fluido frigorigeno). Il processo di condensazione però, procede attraverso uno stadio intermedio, in cui la sostanza inquinante passa dapprima allo stato solido, stratificando sulla superficie di scambio termico, per essere poi riportata allo stato liquido in un periodo di pausa del ciclo operativo. Per meglio chiarire, una volta che si viene a formare lo strato solido sullo scambiatore, quest’ultimo non è più in grado di fornire il rendimento richiesto: lo strato di sostanza solidificata deve quindi essere rimosso. Ciò avviene interrompendo il flusso di azoto al suo interno, in modo che la temperatura si innalzi fino a permettere la liquefazione della sostanza, che viene poi raccolta. Tale procedura comporta quindi una sospensione dell’operatività dello scambiatore e, se il processo di depurazione deve essere effettuato in continuo, l’impianto deve essere dotato di una seconda superficie di scambio. Ulteriore differenza rispetto alla precedente tecnologia, è dovuta al fatto che, in questo caso, il fluido frigorigeno raramente è confinato in un circuito chiuso, ma viene utilizzato «a perdere»; una volta che ha esaurito il suo compito, viene scaricato in atmosfera. In taluni casi può anche essere recuperato per l’utilizzo in altri processi: tipico esempio è il reimpiego con scopi di inertizzazione. Il maggior svantaggio di questa tecnologia consiste proprio nella gestione dell’azoto liquido, relativamente allo stoccaggio, alla sua erogazione e movimentazione ed alle inevitabili perdite di azoto che queste procedure comportano. Gli impianti si applicano su qualsiasi tipo di sostanze volatili (organiche o inorganiche), indipendentemente dalla loro concentrazione nell’aria di processo. Le basse temperature che vengono raggiunte con questa tecnica, permettono di ottenere efficienze di abbattimento molto elevate, per portate di effluente aeriforme estremamente ridotte. Per portate di aeriforme superiori a 500 Nm3/h, infatti, tale tecnica diventa economicamente svantaggiosa. Infine, proprio per le basse temperature raggiungibili, tale tecnica richiede che l’aria di processo sia praticamente anidra (priva di acqua), in modo da consentire l’ottimizzazione del processo. In tutte e tre le tipologie impiantistiche il condensato viene convogliato e raccolto in appositi contenitori. Problematica comune agli impianti a condensazione frigorifera e criogenica, è quella relativa alla presenza di vapor d’acqua nell’effluente aeriforme. L’abbassamento della temperatura a valori inferiori a 0°C se, da un lato, permette la condensazione delle sostanze volatili, dall’altro provoca la solidificazione del suddetto vapor d’acqua sulla superficie di scambio termico, riducendone, anche drasticamente, il rendimento. L’impianto di abbattimento deve dunque essere dotato di quegli accorgimenti tecnici che favoriscono la deumidificazione dell’aria da trattare, prima che questa incontri lo scambiatore predisposto per la condensazione. Nei dispositivi criogenici questo procedimento viene effettuato convogliando l’azoto in controcorrente rispetto al flusso dell’effluente aeriforme in modo che, prima di essere espulso in atmosfera a temperatura più elevata, possa operare la deumidificazione preventiva del vapor d’acqua in uno scambiatore secondario. Nei dispositivi frigoriferi si può utilizzare lo stesso accorgimento (anche se raramente viene fatto), oppure si può procedere alla deumidificazione dell’aria per mezzo di altre tecniche come l’adsorbimento sul gel di silice. La tecnica della condensazione può avere efficienze di abbattimento assai elevate, che aumentano all’aumentare del freddo prodotto e, quindi, quanto più basse sono le temperature raggiunte; al camino però è sempre presente una certa emissione misurabile. Ciò è dovuto al fatto che, per ogni temperatura a cui si trova la sostanza, è sempre presente una concentrazione di vapori della sostanza stessa pari al valore di saturazione per quella temperatura. La scelta tra le due tecnologie deve quindi tener conto di quali sono i limiti di emissione da rispettare per un determinato inquinante e di qual è la sua curva di saturazione in funzione della temperatura. In via del tutto generale si può affermare che, a parità di limite alle emissioni da rispettare, più una sostanza possiede un basso punto di ebollizione e più deve essere bassa la temperatura di condensazione; l’energia termica da asportare dipende invece dalle caratteristiche chimico-fisiche della sostanza e, in particolare, dai valori che assumono il calore latente di vaporizzazione, il calore latente di fusione ed il calore sensibile.
