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Capitolo 6
Progettazione dell’impianto
I buoni risultati ottenuti sull’impianto pilota e le conferme del Software Rosa 9.1, che ha dimostrato affidabilità nelle previsioni e verifiche di funzionamento, ci hanno consentito di procedere con il progetto dell’impianto ad osmosi inversa da inserire sull’impianto sperimentale SEKRET nell’area portuale di Livorno.
Il progetto è partito dalla caratterizzazione dell’elettrolita, già trattata nel Capitolo 4; sull’impianto sperimentale SEKRET l’elettrolita probabilmente subirà delle variazioni nel tempo date proprio dalla sperimentazione in atto che, variando frequentemente i parametri di esercizio, porterà variazioni alle caratteristiche dell’elettrolita. Tali variazioni dell’elettrolita dovranno essere considerate per valutare la tipologia dei pretrattamenti ed eventualmente i quantitativi di reagenti chimici per il trattamento.
6.1 Tipologia membrana e Simulazione con il software ROSA 9.1
La progettazione è partita dalla scelta della membrana che sta al centro di tutto il processo di smaltimento dell’elettrolita. Il mercato offre una vasta gamma di membrane; oltre alle tipologie teoriche illustrate nel Capitolo 3 esistono varianti dimensionali e commerciali. Abbiamo ristretto il campo di scelta optando per le membrane avvolte a film sottile, Thin Film Membrane (TFM®).
Anche la composizione chimica dell’elettrolita ha influito sulla progettazione. L’elettrolita in oggetto è risultato molto ricco di cloruro di sodio, perciò assimilabile all’acqua di mare. Vista l’elevata concentrazione di sali nel nostro elettrolita, la simulazione con il software ROSA 9.1 è partita con l’utilizzo di membrane tipicamente impiegate per dissalare acqua di maredella serie SW (SeaWater), abbandonando quindi le BW (BrackishWater) comunemente utilizzate per acqua salmastra e tutte le membrane utilizzate per la potabilizzazione di acqua dolce. Sono state scartate anche le membrane speciali, troppo specifiche per la depurazione di singoli contaminanti e comunque poco resistenti alle alte salinità.
All’interno della classe di membrane SW30 l’altro parametro preso in considerazione è stato la dimensione della membrane. La dimensione, e quindi la superficie totale filtrante è direttamente collegata alle portate di liquido da trattare e di concentrato che andrà smaltito. Considerando le variazioni di conduttività dell’elettrolita registrate nelle condizioni operative adottate (densità di corrente e dosaggio di acido nitrico), si è stimato che per contenere l’incremento di conduttività si debbano sostituire circa 1 m3/settimana di anolita e 0,5 m3/settimana di catolita, per un totale di 6 m3/mese. Questa stima è stata fatta sulla base delle osservazioni sperimentali perché risulta molto
82 complesso stimare l’effettiva quantità di ioni trasportata dal campo elettrico ed è difficile prevedere il numero mensile di sostituzioni dell’elettrolita. Più prevedibile è la quantità di concentrato che possiamo smaltire. Nel capitolo 6.3 sullo smaltimento del concentrato è stimato uno smaltimento massimo di circa 50 m³ annui. Questi però, essendo influenzati dall’irraggiamento solare, non sono distribuiti uniformemente nei vari mesi. Il valore minimo è rilevato nei mesi di Dicembre e Gennaio ed è pari a 1.3 m³ di portata. Dimensionando la membrana in eccesso per i mesi in cui l’irraggiamento solare è maggiore si ha una portata di concentrato di 7.8 m³. considerando che stimiamo di concentrare ad un terzo del suo volume possiamo trattare 23.4 m³ di elettrolita.
Figura 6.1 Specifiche della membrana SW30-2540
Considerato che le membrane più piccole sono le SW30-25 con diametro 2,5 pollici e la più corta di queste misura 14 pollici, la SW30-2514 ha una produzione di 0.6 m³/d di permeato a recovery massimo di 15%, (Figura 6.1). Ipotizzando un valore medio di recovery, tra il massimo valore di recovery ed il suo valore nullo a fine trattamento, si stima una portata di permeato di 0.3 m³/d, pari a 9 m³/mese, che equivalgono a 27 m³/mese di elettrolita da trattare, valore che supera tre volte le nostre necessità.
83 Si è scelto la membrana DOW Filmtec modello SW30-2540 che per ragioni commerciali è risultata la più conveniente e solo poco più grande di quella di progetto. Un altro vantaggio della membrana SW30-2540 deriva dalla larga diffusione commerciale nei dissalatori installati sulle imbarcazioni, che la rende fruibile già assemblata in apparecchi completi con tubazioni, pompe e raccorderia adatta ad alte concentrazioni saline. E’ caratterizzata da una pressione massima di esercizio di 69 bar,range di pH tra 2 e 11 e portata massima di alimentazione di 33,6 m3/g.
Fig.6.3 Limiti operativi della membrana SW30-2540
La verifica del funzionamento dell’impianto è stata effettuata tramite simulazioni con Software ROSA. I risultati delle simulazioni sono riportate in Figura 6.4. Anche in questo caso sono state effettuate simulazioni variando le concentrazioni mantenendo le stesse proporzioni tra le specie chimiche. Le simulazioni sono state effettuate adottando la configurazione riportata nelle specifiche fornite la produttore, vale a dire portata pari a 10,8 m3/g e pressione di 58 bar.
Figura 6.4 – Verifica dell’impianto di osmosi inversa sul campo. Portata e recovery in funzione della conduttività dell’elettrolita (a sinistra) e reiezione dei sali in funzione della conduttività (a destra).
La membrana sembra possedere caratteristiche ideali per quanto riguarda la reiezione dei sali, consentendo il trattamento dell’elettrolita all’interno del range di conduttività di interesse (50-90 mS/cm). La portata del permeato, in questo range di conduttività, risulta essere tra 0,3 e 2,5 m3/d.
0 10 20 30 40 50 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 0 20 40 60 80 100 120 R e c o v e ry ( % ) P o rt a ta p e rm e a to ( m 3/d ) Conduttività (mS/cm) Simulazioni ROSA 70.0 75.0 80.0 85.0 90.0 95.0 100.0 0 20 40 60 80 100 120 R e ie zi o n e ( % ) Conduttività (mS/cm) Simulazioni ROSA
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6.2 Caratteristiche tecniche dell’impianto
Con la tipologia di membrana scelta sono stati richiesti vari preventivi che sono risultati dello stesso ordine di grandezza di costo. Le due offerte più interessanti sono state:
• Schenker, dissalatore Smart 100 Analogic. dotato di sistema di recupero di energia dal flusso
in uscita con un pistone a doppio effetto. Questo sistema impone un recovery costante; il recovery è una caratteristica strutturale ricavata dalla differenza di superficie dei pistoni del flusso in ingresso e in uscita.
• OSMOsea, dissalatore EVO. Dotato di sistema APS di regolazione alta pressione automatico
con comando remoto: ciò consente di superare il problema della regolazione della pressione di lavoro ad ogni avvio, stop ed al variare delle caratteristiche dell’acqua di ingresso, facendo lavorare l’impianto sempre al massimo delle sue possibilità.
Nel trattamento dell’elettrolita si ha un aumento della salinità e quindi una graduale riduzione della portata del permeato: questo influisce direttamente sul recovery della membrana che tenderà a zero. Il sistema Schenker, anche se molto interessante dal punto di vista energetico, va in crisi quando la pressioneraggiunge i valori limitementre la salinità continua ad aumentare. Non potendo variare il recovery non possiamo ipotizzare il funzionamento dell’apparecchio in condizioni critiche lontane da quelle per cui è stato progettato.
Si è optatoper il dissalatore OSMOsea, in grado di lavorare fino ad una pressione di 60 bar e con una portata del concentrato pari a 10,8 m3/g. Il dissalatore OSMOsea regola automaticamente la pressione al variare della salinità variando di conseguenza il recovery. Questo ci consente di lavorare alla pressione massima quando la salinità aumenta, diminuendo portata di permeato e recovery.
E’ ora illustrata la composizione dell’impianto EVO 90 previsto dall’offerta OSMOsea (Figura 6.5). Sezione di pre-filtrazione: pompa centrifuga in acciaio inox AISI 316 per portare l’acqua all’impianto; due pre-filtri da 10 pollici, uno a 25 µm e l’altro a 5 µm, per salvaguardare le membrane dai solidi sospesi; sistema di controllo della pressione in ingresso.
Sezione ad alta pressione: gruppo motore-pompa ad alta pressione con pompa a pistoni (con tenute in viton) fondamentale per far raggiungere all’acqua in ingresso la pressione necessaria per il processo di osmosi inversa; vessel in carbonio 2540 con tappi in bronzo marino all’interno dei quali si trova la membrana semipermeabile per l’osmosi inversa; membrana SW30-2540 su cui avviene il processo di osmosi; sistema di controllo della pressione sulle membrane osmotiche che comunica alla centralina di comando il valore della pressione di lavoro e l’eventuale innalzamento oltre la soglia massima; tubazioni e raccordi ad alta pressione.
85 Figura 6.5 Impianto ad osmosi inversa OSMOsea EVO 90
Strumentazione: Flussimetro digitale per la visualizzazione della portata del permeato; sonda salinometrica per la lettura della conducibilità del permeato.
Quadro di comando e controllo per la gestione della membrana: start e stop al flusso acqua di mare per lavaggio filtri, innesco impianto, lavaggio impianto; gestione del flussaggio automatico delle membrane; arresto impianto per allarme alta e bassa pressione; arresto impianto per allarme alta salinità del permeato.
Post filtrazione: filtro a carboni attivi da 5 pollici.
Caratteristiche tecniche: produzione permeato: 90 Lt/h – 2160 Lt/g; Pressione massima: 60 bar
Conducibilità acqua prodotta: 400 µS 230V; 50 HZ; 1.5 Kw; 11 A
Per il trattamento dell’elettrolita è stata predisposta ed il pre-trattamento dell’elettrolita tol
(serbatoio liquido da trattare). Il
dell’elettrolita dal serbatoio, dove torna dopo necessario anche introdurre un serbatoio (Serbatoio liquido trattato) da riutilizzare
componenti dell’impianto di trattamento e il sistema di piping
Figura 6.7 Schema dell’impianto ad osmosi inversa per il trattamento
Dopo aver verificato il funzionamento dell’impianto ad osmosi inversa e fatto un primo collaudo con acqua “pulita”, è stata fatta una prova di poche ore dove sono state confermati valori di portata e conducibilità del software
previsto la conducibilità del permeato cresce all’aumentare della concentrazione dell’elettrolita trattato.
Figura 6.8 Andamento della conduttività nel primo test di funzionamento tamento dell’elettrolita è stata predisposta una cisterna di 3500 litri
l’elettrolita tolto dall’impianto e destinato al trattamento . Il trattamento avviene a ciclo continuo con
dove torna dopo essere stato concentrato con l’osmosi inversa. È stato un serbatoio in cui depositare il permeato prodotto da
da riutilizzare nell’impianto. Nello schema in Figura 6.7 sono riportati i componenti dell’impianto di trattamento e il sistema di piping.
Schema dell’impianto ad osmosi inversa per il trattamento dell’elettrolita.
Dopo aver verificato il funzionamento dell’impianto ad osmosi inversa e fatto un primo collaudo con acqua “pulita”, è stata fatta una prova di poche ore dove sono state confermati valori di portata e conducibilità del software ROSA 9.1, dando una portata di permeato di 80 l/h, come era previsto la conducibilità del permeato cresce all’aumentare della concentrazione dell’elettrolita
Andamento della conduttività nel primo test di funzionamento
86 di 3500 litri per lo stoccaggio trattamento con osmosi inversa avviene a ciclo continuo con prelevamento con l’osmosi inversa. È stato prodotto dall’osmosi inversa Nello schema in Figura 6.7 sono riportati i
dell’elettrolita.
Dopo aver verificato il funzionamento dell’impianto ad osmosi inversa e fatto un primo collaudo con acqua “pulita”, è stata fatta una prova di poche ore dove sono state confermati valori dando una portata di permeato di 80 l/h, come era previsto la conducibilità del permeato cresce all’aumentare della concentrazione dell’elettrolita
87 Si può concludere pertanto che l’impianto di osmosi inversa risulta efficacemente dimensionato per soddisfare la richiesta in termini di acqua trattata.
6.3 Smaltimento del concentrato
Il concentrato prodotto a seguito del trattamento con osmosi inversa è un liquido ad elevata concentrazione salina (conduttività elettrica > 80 mS/cm) che deve pertanto essere smaltito.
Per lo smaltimento è stato predisposto un semplice sistema evaporativo costituito da vassoi di plastica che consentono la rapida evaporazione del liquido. I vassoi sono stati collocati all’interno della vasca di trattamento, disposti direttamente sopra i sedimenti e possono contenere fino a circa 23 L di liquido ciascuno, fino ad un totale di 1,5 m3 (65 vassoi).
L’evaporazione è facilitata dalle temperature piuttosto elevate che si sviluppano all’interno della copertura della vasca, soprattutto nei mesi estivi. Inoltre, le vaschette sono di plastica nera che si riscalda a seguito dell’irraggiamento solare per accelerare ulteriormente l’evaporazione. La Tabella 6.1 riporta le caratteristiche del sistema di smaltimento ad evaporazione solare e i parametri utilizzati per il calcolo dei volumi di evaporazione.
Numero File vassoi 13 N. elem. per fila 5 Larghezza Elemento 0.6 m Lungezza Elemento 1 m N. totale elementi 65 Superficie evap. totale 39 m2
Tabella 1 Geometria delle vasche di evaporazione.
La valutazione del potenziale di evaporazione non è supportato da misurazioni effettuate nell’arco dell’anno, riferite a temperatura, umidità e velocità dell’aria all’interno della struttura, pertanto è stato necessario effettuare due calcoli separati utilizzando il Metodo di Blaney e Criddle e sfruttando il calore latente di evaporazione.
Il metodo di Blaney e Criddle basa essenzialmente la stima della evapotraspirazione potenziale di riferimento ai valori di temperatura misurati nel bacino, ma introduce anche la valutazione del numero di ore di insolazione. Il metodo consente di valutare l’ su base mensile, ma esprimendola in millimetri al giorno (mm/giorno) ed assume la forma:
88 = (0.46 + 8) − 2
Dove:
T è la temperatura media del mese considerato (°C);
p è la media mensile della durata astronomica del giorno, espressa come percentuale sul totale delle ore diurne dell’anno (pari a 4380=12*365);
= 4380 ∗ 100
N (media mensile della durata astronomica del giorno in ore) è fornito dalla Tabella 6.2 (estratta da Moisello).
Tabella 6.2 Media mensile della durata astronomica del giorno in ore. Tabella 6.3 Valore k (estratta da Moisello).
Il valore di k viene attribuito effettuando stime basate sul valore minimo di umidità relativa urmin, al
rapporto tra la durata effettiva e la durata teorica (astronomica) dell’insolazione indicata con ri, ed alla velocità del vento nelle ore diurne Vv; possiamo ricavare il valore di k dalla Tabella 6.3.
Mancando valori sperimentali di temperatura rilevati direttamente nella struttura, sono state prese in considerazione le temperature medie giornaliere della città di Livorno, valore conservativo perché nella struttura le temperature sono maggiori che all’esterno. La velocità del vento è stata presa bassa dato che c’è poco ricambio d’aria.
89 Tabella 6.4 Foglio di calcolo dell’evaporazione con il metodo di Blaney e Criddle.
L’altra impostazione di calcolo si basa sul Calore Latente di Evaporazione dell’acqua e sulla radiazione solare media rilevata, è stato inserito un rendimento del 60%.
. =' #" # & %& !. "#. $ ∗ % $ %&"" ! "%
Radiazione solare mensile rilevata
(kJ/m2g) Media
kJ/m2g
Massa evap.
kg/m2g Capacità evap. m3/mese
2013 2014 2015 Gen 4049 4049 1.07 1.3 Feb 5529 5529 1.46 1.6 Mar 6748 5399 6074 1.60 1.9 Apr 4184 15341 18131 12552 3.31 3.9 Mag 20245 20920 20245 20470 5.41 6.5 Giu 25104 23709 25104 24639 6.51 7.6 Lug 25644 21595 25644 24294 6.42 7.8 Ago 22945 20245 20920 21370 5.64 6.8 Sett 15341 15341 16039 15574 4.11 4.8 Ott 8098 10123 8098 8773 2.32 2.8 Nov 5579 5579 5579 1.47 1.7 Dic 4724 3374 4049 1.07 1.3
Totale medio annuo (m3) 48.1
Tabella 6.5 Foglio di calcolo dell’evaporazione con il calore latente di evaporazione. I risultati del calcolo sono riportati nella Tabella 6.5.
Genn. Febb. Mar. Apri. Magg. Giug. Lug. Ago. Sett. Ott. Nov. Dic.
N 9.3 10.5 11.9 13.4 14.7 15.4 15.2 14 12.6 11 9.7 8.9 p 0.21 0.24 0.27 0.31 0.34 0.35 0.35 0.32 0.29 0.25 0.22 0.20 T media MaX 11 12 15 17 21 25 29 28 26 21 16 12 T media min 6 6 7 10 14 17 21 20 18 13 8 7 T media 8.5 9 11 13.5 17.5 21 25 24 22 17 12 9.5 ETP 1.19 1.67 2.47 3.48 4.79 5.82 6.53 5.67 4.57 3.01 1.77 1.17
Massa evap. Kg/m² giorno 35.59 50.01 74.12 104.33 143.62 174.71 195.80 170.04 137.04 90.18 53.18 35.01
90 Al termine dell’evaporazione i volumi di liquido risultano completamente smaltiti e l’unico rifiuto residuo è costituito dai sali disidratati (Figura 6.9) ed acqua “pulita” prodotta con l’osmosi inversa da riutilizzare sull’impianto (Figura 6.10).
Figura 6.9 Sali ricavati dalla disidratazione dell’elettrolita.
