La liquefazione idrotermale è un processo ad alta pressione e alta temperatura che trasforma i rifiuti organici umidi-come i fanghi di depurazione o le alghe-in un petrolio greggio rinnovabile. L'alimentazione fredda, acquosa e corrosiva deve essere preriscaldata prima di entrare nel reattore. Il petrolio greggio caldo e appena prodotto che esce dal reattore è la fonte di calore perfetta e gratuita. Lo scambiatore di calore che si trova tra questi due flussi aggressivi deve essere costruito con un materiale che non corroda, non sporchi o contamini il prodotto. Uno scambiatore in PTFE è il ponte chimicamente immune che rende possibile questo recupero energetico.
Il processo HTL e la sua sfida nel recupero del calore
La liquefazione idrotermale (HTL) converte la biomassa umida in un olio biogreggio sottoponendo la materia prima a temperature di 250–370 gradi e pressioni di 150–300 bar (15–30 MPa) in un ambiente riducente. L'alimentazione è tipicamente un impasto pompabile contenente il 10–30% di solidi, con un elevato contenuto di acqua, sali disciolti, acidi organici (ad esempio acido acetico, formico e propionico) e ioni cloruro. Dopo la reazione, il flusso di effluente-una miscela di petrolio greggio caldo, sostanze organiche solubili in acqua, gas e carbone residuo-lascia il reattore a una temperatura prossima a quella di reazione.
Per migliorare l'efficienza energetica complessiva dell'impianto HTL, l'effluente caldo viene utilizzato per preriscaldare l'alimentazione fredda prima che entri nel reattore. Questo recupero del calore degli effluenti di alimentazione può ridurre la domanda di riscaldamento esterno del 40–60%, rendendo il processo economicamente sostenibile. Tuttavia, lo scambiatore di calore che svolge questo compito deve resistere a un ambiente particolarmente aggressivo:
Specie corrosive– Gli acidi organici, i cloruri, i composti dello zolfo e l’ammoniaca sia nell’alimentazione che nell’effluente attaccano la maggior parte dei metalli.
Tendenza al fouling– L’alimentazione contiene solidi sospesi, mentre il petrolio greggio caldo può depositare asfalteni, catrami e coke sulle superfici di scambio termico.
Alta pressione– Entrambi i flussi funzionano a pressioni elevate (tipicamente 100–200 bar sul lato di alimentazione fredda prima del pompaggio alla pressione del reattore).
Rischio di contaminazione– Qualsiasi perdita incrociata tra il mangime e il flusso di prodotto degraderebbe il prezioso olio biogreggio.
Gli scambiatori di calore metallici convenzionali (acciaio inossidabile, duplex, Inconel o titanio) sono soggetti a rapida corrosione, vaiolatura o tensocorrosione quando esposti alla complessa chimica HTL, specialmente alle temperature elevate dell'effluente (200-300 gradi nello scambiatore). Il PTFE (politetrafluoroetilene) e la sua variante processabile allo stato fuso PFA (perfluoroalcossi) offrono una soluzione perché sono chimicamente inerti praticamente per tutte le specie presenti nei flussi HTL.
Come uno scambiatore in PTFE preriscalda l'alimentazione HTL
In una tipica configurazione di recupero del calore dell'effluente di alimentazione HTL, l'impasto liquido di alimentazione freddo viene pompato attraverso il lato del tubo di uno scambiatore di calore a fascio tubiero in PTFE. Il flusso di effluente caldo proveniente dal reattore HTL-contenente olio biogreggio, acqua, gas disciolti e carbone fine-scorre sul lato del guscio, circondando i tubi in PTFE. Il calore viene trasferito dall'effluente caldo all'alimentazione fredda attraverso le sottili pareti del tubo in PTFE. L'alimentazione preriscaldata entra quindi nel reattore HTL, mentre l'effluente raffreddato procede alla separazione del prodotto.
ILPreriscaldamento alimentazione HTL scambiatore in PTFEil dovere si basa su diverse proprietà chiave del PTFE:
Completa resistenza chimica– Il PTFE non è influenzato dagli acidi organici (fino a pH 1 o inferiore), dai cloruri, dai solfuri e dalla complessa miscela di composti intermedi formati durante l'HTL. Nel processo non vengono rilasciati prodotti di corrosione, impedendo l'avvelenamento del catalizzatore o la contaminazione del prodotto.
Superficie antiaderente e a basso attrito– L'interno liscio del tubo in PTFE resiste all'adesione dei solidi provenienti dal liquame di alimentazione, mentre l'esterno resiste alla deposizione di catrami appiccicosi e asfalteni provenienti dal petrolio greggio caldo. Eventuali depositi minori vengono facilmente rimossi mediante il normale flusso o la pulizia periodica.
Capacità ad alta pressione con diametri piccoli– I tubi in PTFE con diametro interno piccolo (3–8 mm) possono resistere a pressioni differenziali di 10–20 bar se adeguatamente supportati. Per i sistemi HTL che richiedono pressioni più elevate (ad esempio 200 bar), lo scambiatore è posizionato sul lato a bassa pressione della pompa di alimentazione oppure i tubi in PTFE sono rinforzati con uno strato esterno intrecciato o installati all'interno di un guscio metallico contenente la pressione.
Idoneità alla temperatura– Il PTFE è classificato per il funzionamento continuo fino a 200–220 gradi. Il PFA estende questo valore a 250–260 gradi. In uno scambiatore di effluenti di alimentazione HTL, il lato caldo entra generalmente a 250–350 gradi, ma viene rilevato un piccolo calo di temperatura prima dello scambiatore oppure lo scambiatore viene posizionato dopo una valvola di scarico dove la temperatura è inferiore a 220 gradi. In alternativa, uno scambiatore PFA gestisce temperature più elevate sul lato caldo.
Lo scambiatore in PTFE è una stretta di mano chimicamente cieca e ad alta pressione, che passa il fuoco dal greggio caldo e fresco ai rifiuti freddi, umidi e corrosivi che stanno per diventare il suo successore.
Funzionalità di progettazione critiche per il servizio HTL
Costruzione a doppia piastra tubiera
Poiché il petrolio biogreggio prodotto è prezioso e l'alimentazione può contenere contaminanti che rovinerebbero i catalizzatori a valle, è necessaria una separazione assoluta tra i due flussi. UNdoppia piastra tubieraviene utilizzato il disegno. In questa costruzione, ciascun tubo in PTFE passa attraverso due piastre tubiere separate su ciascuna estremità dello scambiatore, con un piccolo spazio di ventilazione tra di loro. Se si sviluppa una perdita in corrispondenza di un giunto della piastra tubiera, il fluido che perde fuoriesce nello spazio-rilevabile da un pressostato o da un vetro spia-senza mescolare i due flussi. Questa doppia barriera è obbligatoria per gli scambiatori di alimentazione-effluenti HTL negli impianti commerciali.
Filtrazione dei solidi a monte
Il liquame di alimentazione HTL spesso contiene particelle abrasive come sabbia, detriti cellulari o ceneri minerali. Immediatamente a monte dello scambiatore in PTFE è installato un filtro o un vaglio di controlavaggio (dimensione delle maglie 200–500 µm). Ciò impedisce alle particelle grandi e taglienti di entrare nei tubi in PTFE di piccolo diametro, dove potrebbero causare erosione o intasamento. Per mangimi con elevato contenuto di solidi, come fase di pretrattamento viene utilizzato un idrociclone o una vasca di decantazione.
Velocità e pulizia del tubo
Per mantenere i solidi in sospensione e prevenire la sedimentazione all'interno dei tubi in PTFE, viene mantenuta una velocità minima sul lato del tubo di 1,5–2,0 m/s. In caso di incrostazioni, lo scambiatore è progettato per la pulizia a flusso inverso o per una procedura di pulizia chimica sul posto (CIP) utilizzando acidi o basi diluiti-entrambi compatibili con PTFE.
Nota sul processo: limitazione della temperatura e integrazione del sistema
Gli scambiatori in PTFE non sono adatti per l'esposizione diretta all'effluente completo a 370 gradi da un reattore HTL. Invece, l'effluente caldo viene prima parzialmente raffreddato oppure lo scambiatore viene posizionato dopo una valvola di riduzione della pressione dove la temperatura è scesa a 200–220 gradi. Un piccolo "refrigeratore del trim" metallico può essere utilizzato a monte per eliminare i 100-150 gradi iniziali, dopodiché il calore rimanente viene recuperato nello scambiatore in PTFE più grande. Questo approccio ibrido combina la resistenza alle alte temperature di un metallo (ad esempio, uno scambiatore tubo in tubo in Inconel o titanio corto) con la resistenza alla corrosione a lungo termine del PTFE per la maggior parte del recupero di calore.
Efficienza energetica e impatto economico
In un impianto HTL ben progettato, lo scambiatore di alimentazione-effluente in PTFE recupera il 60–75% del calore sensibile dall'effluente del reattore. Per un input di biomassa secca di 10 tonnellate al giorno, ciò può far risparmiare 200-400 kW di riscaldamento esterno, riducendo i costi operativi di 100.000-100.000-200.000 all’anno in termini di carburante o elettricità evitati. Il periodo di ammortamento per lo scambiatore in PTFE (che costa più di uno scambiatore in acciaio al carbonio ma molto meno di un'unità in Hastelloy o titanio in questo servizio) è generalmente di 6-18 mesi.
Confronto con materiali alternativi
| Materiale | Resistenza alla corrosione ai flussi HTL | Tendenza all'incrostazione | Costo | Adatto per la piastra tubiera doppia? |
|---|---|---|---|---|
| Acciaio inossidabile 316L | Scarso (vaiolatura, cloruro SCC) | Alto | Basso | SÌ |
| Titanio (grado 2) | Moderato (attaccato da fluoruri, acidi organici caldi) | Moderare | Alto | SÌ |
| Hastelloy C‑276 | Good but not perfect (susceptible to pitting in high‑chloride, low‑pH at >200 gradi) | Moderare | Molto alto | SÌ |
| PTFE/PFA | Eccellente (immune a tutte le specie HTL) | Basso (antiaderente) | Moderare | Sì (con design speciale) |
Solo PTFE e PFA offrono prestazioni affidabili a lungo termine (10+ anni) senza tolleranza alla corrosione o sostituzioni frequenti.
Conclusione
Uno scambiatore di calore in PTFE è il cuore vitale, a risparmio energetico e chimicamente immune di un impianto HTL, poiché preriscalda in modo sicuro i flussi di rifiuti più difficili del mondo per la conversione in combustibile rinnovabile. Resistendo alla natura complessa, acida e inquinante sia del liquame di alimentazione umido che dell'olio biogreggio caldo, lo scambiatore in PTFE consente un efficiente recupero del calore che sarebbe impossibile con i metalli convenzionali. Con una struttura a doppia piastra tubiera che fornisce una separazione assoluta e un'adeguata filtrazione dei solidi a monte che garantisce un funzionamento affidabile, lo scambiatore in PTFE è la tecnologia abilitante che rende la liquefazione idrotermale un percorso pratico e sostenibile verso il petrolio greggio rinnovabile. I carburanti del futuro verranno prodotti mediante processi raffreddati e riscaldati utilizzando i materiali più inerti e il PTFE è in prima linea in questa trasformazione.
