I processi di assorbimento chimico e fisico della CO2 seguono il medesimo anda-mento di quelli visti per la separazione dei composti solforati nel syngas nella figura 4.4 a pagina 47, che ne discrimina uno piuttosto che l’altro a seconda della concentrazione di CO2 .
5.2.1 Assorbimento chimico
L’assorbimento chimico si basa sull’utilizzo di composti solventi attivi nei confronti della CO2quindi: ammine, alcuni idrossidi di metalli alcalini (es. idrossido di sodio) e alcuni carbonati come ad esempio il carbonato di potassio. L’assorbimento avviene quindi tra fasi diverse, perché da una parte c’è il gas dall’altra il solvente in solu-zione acquosa. Il solvente è rigenerato alla fine del processo tramite un trattamento termico, riscaldandolo fino a temperature non troppo elevate. Quelli più utilizzati a livello industriale sono le ammine, sia primarie (R1–NH2) che secondarie (R2–NH) che terziarie (R3–N), con le quali la reazione che avviene è:
Per le ammine primarie e secondarie:
→ R−NH + CO2+ H2O −−→ R−NH2++ HCO3− Per le ammine terziarie:
→ R−N + CO2+ H2O −−→ R−NH++ HCO3−
(5.1)
L’impianto e le fasi del processo chimico sono schematizzate in figura 5.1. I gas en-trano nell’impianto di separazione alla pressione ambiente e ad una temperatura che sarà intorno ai 100◦C, grazie ad un ventilatore che ha il solo scopo di vincere le per-dite di carico. Per prima cosa vengono raffreddati fino a circa 20◦Cprima di entrare dal basso nella colonna di assorbimento vera e propria dove il gas incontra il solvente in controcorrente, che è appunto un’ammina, e avvengono le reazioni chimiche delle formule 5.1. I gas purificati sono scaricati dall’alto della torre e la soluzione ricca di
5.2. PROCESSI DI ASSORBIMENTO 51
Figura 5.1: Schematizzazione del processo di rimozione della CO2 [1].
Legenda: (1) colonna di assorbimento, (2) refrigeratore del gas in ingresso, (3) refri-geratore del solvente, (4) scambiatore di calore, (5) bollitore, (6) vapore, (7) colonna di rigenerazione, (8) condensatore, (9) CO2 separata, (10) gas trattati.
CO2 viene raccolta dal basso e inviata alla torre di rigenerazione del solvente. Que-sto viene rigenerato tramite stripping, ossia riscaldando la miscela fino a circa 150◦C inizialmente con uno scambiatore nel quale in controcorrente viene fatto circolare il solvente rigenerato, e in aggiunta una volta inviato nella torre di separazione, anche per aumentarne la purezza, viene fatto ricircolare attraverso un corpo cilindrico dove si inietta anche vapore caldo. Nella colonna di rigenerazione si separa a questo pun-to la CO2 che viene mandata ad un impianto di liquefazione dove passa attraverso una compressione inter-refrigerata, così fatta per separare l’acqua che inevitabilmente si forma, che la porta a 100 − 150◦C assorbendo circa 0, 5MJ/kgCO2. Una piccola percentuale di solvente si perde nei fumi, di conseguenza è comunque necessario un reintegro.
Le efficienze del processo complessivo sono molto elevate, con valori superiori al 90%, tuttavia con il tempo si ha una diminuzione dell’efficienza delle ammine, che ne rende necessaria la sostituzione. La sostituzione del solvente è un processo delicato soprat-tutto per il trattamento del solvente scartato, che deve essere bruciato con delle torce all’interno di inceneritori. Come si vede l’impianto è molto complesso e richiede mol-teplici scambi di calore e materia, basti pensare agli scambiatori e al vapore richiesto per scaldare il solvente (circa 4MJ/kgCO2 fornito da vapore a 150◦Ce 3 − 4bar): sarà quindi necessario per renderlo economicamente sostenibile, integrarlo in una centrale termoelettrica a vapore. I consumi energetici degli ausiliari inoltre non sono trascura-bili: si parla di circa 0, 15MJ/kgCO2.
Un problema che si riscontra in questo processo è quello della produzione di acido corrosivo a seguito della reazione parassita tra CO2 e acqua: per evitarla si cerca di mantenere bassa la concentrazione di CO2nella miscela con il solvente abbassando la temperatura.
52 CAPITOLO 5. SEGREGAZIONE E STOCCAGGIO DELLA CO2 Un’altro problema è il posizionamento di questo processo nella linea di trattamento fumi: se viene posto a monte, quindi trovandosi a trattare gas "sporchi", si verifica una riduzione dell’efficienza delle ammine perchè queste reagiscono sia con il particolato formando una schiuma, sia con NOx e SOx che le degradano. La posizione migliore è dunque a valle della linea di trattamento dei fumi per fare in modo che tratti gas puliti.
5.2.2 Assorbimento fisico
Nel caso dell’assorbimento fisico la CO2 viene separata mettendola in contatto con una miscela chiamata selexol, che è composta per il 95% d’acqua e per il 5% dal composto attivo vero e proprio che è a base alcolica (miscela di dimetil-etere e glicole polietilenico).
Il processo si divide in due stadi:
1° stadio di assorbimento della CO2 : avviene secondo il principio della legge di Henry, cioè che la solubilità di un composto in una miscela aumenta all’aumenta-re della pall’aumenta-ressione e al diminuiall’aumenta-re della temperatura, dunque vengono mantenute alte pressioni, dell’ordine di 50 − 60bar, delicate dal punto di vista di tenuta strutturale dei serbatoi, e basse temperature.
2° stadio di rigenerazione del solvente: avviene tramite un processo flash, cioè tramite una progressiva depressurizzazione suddivisa in varie camere (per la pri-ma si può pensare anche di mettere una turbina per l’espansione per recuperare parte dell’energia). Ad ogni camera di flash viene liberata CO2, di conseguen-za da ognuna di questa si otterrà CO2 con una pressione diversa: per poterle miscelare insieme, ad ogni camera la CO2 liberata viene portata alla pressione della camera precedente, e alla fine viene mandata al processo di liquefazione.
Il rendimento del processo è molto elevato, superiore al 95%. I vantaggi rispetto al processo di assorbimento chimico sono:
• il processo è più economico,
• i volumi sono ridotti grazie alle alte pressioni,
• non c’è presenza di fenomeni corrosivi,
• il selexol è selettivo per la CO2dunque non ci sono problemi di reazioni parassite con altri composti presenti nei gas.
Gli svantaggi sono legati al fatto che per ottenere gli elevati rendimenti di assorbi-mento, è necessario che in ingresso ci sia un’elevata pressione parziale della CO2 , dunque i gas in ingresso devono essere compressi (si potrebbe pensare di far trasci-nare il compressore dei gas combusti dalla turbina per l’espansione del solvente nella rigenerazione).
Per calcolare la quantità di anidride carbonica rimossa il parametro fondamentale è la pressione nell’ultima camera di flash: più questa pressione è bassa infatti, più il grado di purezza del solvente in uscita dalla rigenerazione è alto e di conseguenza lo è anche la quantità di CO2rimossa. D’altra parte però al diminuire di questo pressione aumentano i costi dello stadio di rigenerazione perchè aumentano i volumi specifici della CO2 da trattare, quindi questa pressione viene sempre mantenuta ad un valore
5.3. RIMOZIONE DELLA CO2TRAMITE MEMBRANE 53