Stato dell’arte dei sistemi SCD

Come già accennato precedentemente esistono numerosi brevetti per sistemi di essiccamento a coclea. Alcuni brevetti interessanti risalgono già agli anni ’70 [43] [44], e tutt’oggi continuano ad essere pubblicati brevetti di rilievo tecnico [45]. Oltre a macchinari che possono essere generalmente raggruppati in quella che è la definizione classica di un SCD, esistono anche brevetti di sistemi tecnologici meno convenzionali. Molto lontani dal meccanismo di funzionamento standard sono i sistemi che sfruttano l’azione di una coclea disuniforme per comprimere il materiale, spremerlo per separarne l’acqua contenuta [46], o utilizzando più coclee disomogenee e costituite da materiali porosi in grado di far fuoriuscire l’acqua [47]. Mentz [48] ha invece brevettato un sistema di essiccamento a coclea in cui l’azione termica è data da una serie di anelli termoelettrici posti attorno la camicia della coclea, in grado di portare rapidamente ad alte temperature anche materiali a bassa conduzione e capacità termica, con una coclea costituita inoltre da spire piegate e tagliate che meglio agitano i granulati. Il brevetto di Azuma [49]

SCD

Gas IN

(diretto o passivo) Gas

OUT Fluido termoconvettore IN Fluido termoconvettore OUT Solido secco OUT Solido umido IN

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riguarda invece un sistema SCD con fluido termoconvettore quali i gas della combustione, di H2 ed O2 in rapporto 2:1, e scambio termico attraverso la camicia e

l’albero della coclea, dove la stessa camicia a doppio tubo funge da camera di combustione. Sono invece convenzionali i sistemi multistadio o a più coclee, anche recenti [50], in cui diversi passaggi pongono il materiale in condizioni ambientali e di scambio termico differenti, per ottimizzare l’essiccamento. Comolli [51] ha brevettato un sistema completo per l’essiccamento della lignite, in cui il materiale è convogliato in tre diverse coclee chiuse e stadi (Figura 4.4). Nel primo stadio la camicia è posta ad una temperatura di 80-150°C, mentre il materiale, posto a pressione ambiente, perde così l’umidità superficiale. Attraverso una valvola rotativa a pressione, la lignite passa nella seconda coclea. Qui il materiale passa ad una temperatura più elevata tra 90-260 °C e viene posto ad una pressione inferiore, mentre viene insufflato del vapore, il che garantisce una rapida essiccazione ed al contempo una copertura della lignite da idrocarburi basso volatili, che evitano un riassorbimento futuro di umidità. Nel terzo ed ultimo stadio la lignite è raffreddata prima di essere scaricata ed esposta a pressione atmosferica.

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Uno dei vantaggi dei sistemi SCD è anche quello di poter ottimizzare l’essiccamento utilizzando coclee multi stadio ma anche potendo accoppiare una coclea essiccante con altri sistemi di essiccamento, generalmente per effettuare un pre-essiccamento, quali ad esempio essiccatori a letto vibrante o a letto fluido. Oltre al solo essiccamento, come per l’essiccatore brevettato da Comolli, aziende come la Therma-Flite, Inc. [52] sviluppano sistemi termici complessi. Nel sistema per il trattamento chimico dei solidi organici in Figura 4.5 si nota, oltre ai vari stadi, la presenza di una doppia coclea all’interno della camicia termica riscaldata.

Questa soluzione tecnica viene spesso adottata per numerosi impianti, e le aziende garantiscono svariate soluzioni tecniche per numerosi casi di applicazioni, sia multistadio che a più coclee, con diversi profili di incamiciamento (Figura 4.6).

Figura 4.5. Schema per il trattamento termico dei solidi organici della Therma-Flite, Inc.

Alimentazione materiale

Ingresso fluido caldo Uscita fluido freddo

Recupero idrocarburi Coclea di raffreddamento Condensatore - Depuratore Materiale essiccato Doppia coclea riscaldata e a pressione

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Figura 4.6. Schemi per sistemi SCD della Therma-Flite, Inc.

Un grande vantaggio degli SCD e quello di poter garantire un alto tasso di trasferimento di calore per conduzione, rispetto al rapporto area di scambio-volume del materiale da trattare. Per massimizzare ancora di più tale rapporto, i sistemi a più coclee possono essere sfruttati. Oltre a ciò, l’utilizzo di più coclee permette di avere un rinnovo continuo dei granulati a contatto con la superficie riscaldante ed un mescolamento del materiale, il quale genera uno scambio di calore convettivo ed agevola lo spostamento dell’acqua dall’interno fino alla superficie del materiale. Generalmente le coclee non vengono riempite totalmente ed il movimento del materiale fa sì che non tutta la superficie riscaldante sia a contatto con il materiale. Come ben spiega l’azienda °Celsius [53], un sistema a doppia coclea, in cui il movimento del materiale sia quello ideale, garantisce che quasi tutta la superficie della camicia riscaldata sia a contatto con il materiale da essiccare, come si può notare nella Figura 4.7 sottostante.

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Figura 4.7. Area di scambio termico a contatta con il materiale [53]

Un altro modo di incrementare il flusso di scambio termico è quello di sfruttare anche le spire della coclea, facendovi passare al suo interno il fluido termoconvettore. L’azienda Metso Minerals Industries Inc. [54] fornisce sistemi SCD dove il passaggio del fluido termoconvettore è guidato efficacemente all’interno dell’albero della coclea e delle sue spire, come mostrato nella Figura 4.8 in basso.

Figura 4.8. Struttura e sistema di canalizzazione nel SCD della Metso Minerals Industries Inc [54].

Come detto già precedentemente, non ci sono molte pubblicazioni scientifiche che riguardano sistemi SCD. Soltanto recentemente sono stati analizzati modelli sperimentali e teorici in cui sono stati riportati risultati tecnici, in grado di fornire informazioni importanti sui complessi effetti termodinamici che interessano l’essiccamento indiretto e diretto dei modelli a coclea. Recentemente Benali e Kudra [55] [56] hanno dimostrato la

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validità tecnica dell’utilizzo di sistemi di essiccamento a coclea indiretto anche per un materiale di poco valore quale il letame e per la sua trasformazione in concime. Il sistema è composto da sette stadi di trattamento, identici e disposti a cascata, a loro volta costituiti da nove canali paralleli, con lunghezza coclee di 4.5 m diametro 15.2 cm e passo 11 cm. Kim et al. [57] hanno invece progettato e studiato un sistema di essiccamento a doppia coclea diretto ed indiretto, mediante l’uso di gas combusti di scarico, per il trattamento di fanghi da depurazione. Nella loro analisi di trasferimento termico e di massa, è stata riportata l’alta influenza dell’umidità in ingresso e della portata sulle prestazioni finali del sistema. Per quanto concerne le prestazioni di essiccamento è stato riportato che ad una portata di 100 kg/h l’umidità del materiale viene ridotta dall’80% in ingresso fino al 10%, con una efficienza di essiccamento molto alta, fino al 75%. Una medesima analisi ancor più recente è stata portata avanti da Waje et al [42]. In questo lavoro è stato progettato e sviluppato un SCD indiretto, con coclea eccentrica lunga 3m e diametro albero di 72 cm. Come fluido termoconvettore passante tra camicia ed albero è stata utilizzata acqua a 60- 80 °C. Mentre una corrente di azoto a temperatura ambiente (30°C) è stata utilizzata per rimuovere l’umidità evaporata. Con una portata di 10-18.6 kg/h le sperimentazioni hanno riportato un coefficiente di scambio termico di 46-102 W/m2K, una efficienza termica nell’intervallo 25-62%. I migliori risultati sono stati ottenuti nel caso di flusso di gas in equicorrente con il flusso del materiale, e quando il macchinario è stato posto ad una sottopressione di 200 mm H2O, in cui la capacità di essiccamento è aumentata fino a

rimuovere il 92% dell’umidità in ingresso. Uno schema di SCD in sottopressione di A. S. Mujumdar e S. V. Jangam [58] è riportato nella Figura 4.9 in basso.

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