COSTRUZIONE DEL PRIMO PROTOTIPO DELLA POMPA

Una volta sviluppata l'idea, costruire uno skimmer dotato di una pompa a vite d’Archimede ma in grado di separare parte dell'acqua recuperata, abbiamo iniziato la produzione del prototipo.

Anche se l'obiettivo finale è quello di produrre una pompa robusta in grado di lavorare con qualsiasi tipo di fluido, l'acciaio inossidabile è il materiale che risponde a tali requisiti, abbiamo deciso di realizzare un primo prototipo utilizzando la tecnica di sinterizzazione laser selettiva di polveri di nylon.

In questo modo abbiamo costruito una prima pompa in un materiale molto fragile, in modo tale che se superasse il test avremmo garanzie di aggiustaggio e di funzionamento per procedere con l'investimento molto superiore richiesto dal prototipo metallico.

La tecnologia utilizzata ha risposto molto bene alle aspettative. Non solo abbiamo ottenuto un prototipo che convalidasse geometricamente il nostro progetto, ma era un prototipo funzionale con cui abbiamo potuto verificare il funzionamento idraulico della pompa.

COMINCIAMO!

Analizzando le prestazioni e la geometria delle pompe disponibili, siamo predisposti a utilizzare le pompe a vite nel nostro sforzo per ridurre la quantità di acqua pompata dallo skimmer.

La sua geometria e il modo in cui la trasmissione di potenza avviene fa pensare che siano idonee per lavorare con un separatore centrifugo che ci consenta di ridurre la quantità di acqua all'interno dello skimmer.

Ora è il momento di agire: creeremo un prototipo che ci permetta di verificare i risultati delle nostre analisi teoriche.

La sfida davanti a noi non è affatto indifferente. Abbiamo la necessità di progettare e produrre tre dispositivi in ​​uno: uno skimmer a stramazzo, una pompa a vite di Archimedes ed un separatore centrifugo.

Dal momento che abbiamo una vasta esperienza nella produzione skimmer lasceremo esso fino all'ultimo minuto, quindi ci concentreremo in un primo momento sulla progettazione e produzione della pompa in quanto rappresenta il cuore di questa nuova apparecchiatura per la lotta contro l'inquinamento. La chiameremo:

OWSKIMMER

IL POMPAGGIO DEL IDROCARBURO RECUPERATO

Per trovare una soluzione al problema dei grandi quantitativi d’acqua presenti nella sostanza recuperata dobbiamo prima sapere come vengono pompati dagli skimmer, perché la loro conoscenza ci aiuterà a torvare il modo migliore per integrare i metodi di separazione industriale presentati nel post precedente.

Dopo aver recuperato l'olio sversato con i diversi tipi di skimmer dobbiamo pomparlo fino ai serbatoi di stoccaggio temporaneo esistenti.

A volte il luogo di lavoro dello skimmer e la posizione dell'operatore consigliano l'uso di una pompa d’aspirazione oppure di una pompa d’impulsione.

Quando l'accesso all'area dello sversamento diventa complicato può essere interessante l’utilizzo di skimmer leggeri che lavorano asieme ad una pompa autoadescante ubicata in prossimità di essi, ma posizionata sul terreno o sul ponte dell'imbarcazione di bonifica. Questa configurazione ha una grande limitazione, l’altezza massima d’aspirazione. Una pompa autoadescante non potrà mai aspirare da una altezza superiore ai 9,8 metri che si riduce notevolmente con l'aumento della viscosità del prodotto da spingere.

Per evitare questo handicap gli skimmer possono essere equipaggiati con pompe di trasferimento che pompano dal proprio skimmer il fluido recuperato. Così lo slivello tra gli skimmer e i serbatoi diventa un problema minore. Si pone tuttavia un problema logistico, per spostare e sollevare tali skimmer è necessario utilizzare delle gru.

Tra il primo tipo di pompe quelle più utilizzate sono pompe a lobi, pompe peristaltiche e pompe a membrana. Tutti sono pompe volumetriche autoadescanti in grado di lavorare con fluidi di elevate viscosità, anche in presenza di solidi. Le differenze tra di loro si concentrano sul mantenimento, il diametro dei solidi, la capacità di lavorare a secco ed il prezzo. In ogni caso, sono pompe ingombranti e pesanti, caratteristiche che difficoltano, ma non impediscono il loro uso come pompa di trasferimento dagli skimmer.

Di solito gli skimmer dotati di pompe di trasferimento possono utilizzare i seguenti tipi:

• Pompe a lobi: il suo peso non li rende la soluzione migliore
• Pompe centrifughe assiali a girante aperta: emulsionano la miscela acqua-idrocarburi e lavorano particolarmente male con idrocarburi viscosi.
• Pompe a vite di Archimede con disco di tenuta: Sono le più utilizzate in assoluto e quelle che offrono le migliori prestazioni per l'uso con una miscela acqua-idrocarburi e idrocarburi viscosi.
  

METODI INDUSTRIALI DI SEPARAZIONE

In questo post vi presenteremo diversi metodi di separazione olio / acqua e analizzeremo possibilità di utilizzarli per migliorare l'efficienza di skimmer e delle unità di pompaggio.

Separazione per gravità differenziale: Il metodo di separazione più antico e più esteso. Di solito il primo passo nel trattamento delle acque oleose. Governato dalla legge di Stokes si basa sulla diversa densità dei due liquidi immiscibili:

• Quanto più diversa è la densità dei fluidi migliore la separazione è.
•   Per raggiungere una maggiore efficienza si richiedono lunghi tempi di permanenza e gocce di olio di grandi dimensioni.

Normalmente, l’efficienza di separazione è compresa tra il 20% e il 60%. Tuttavia, per accelerare il processo può fare uso di coalescenza.

Tipi separatore:

•         separatori API
•         separatori circolari
•         separatori a piastre (parallelo e ondulato)
•         Curved-Plate Finger separatori

Separazione rotazionale: È stata concepita per accelerare i processi di separazione per gravità, poiché la forza centrifuga è molto maggiore della gravità. Una differenza del 5% tra le densità è sufficiente per separare i fluidi, ma maggiore è tale differenza più velocemente avviene la separazione e minore è il consumo di energia. L'efficienza di separazione è compresa tra 77% e 91%. Utilizzando la coalescenza questi valori possono aumentare.

Tipi di dispositivi:

•    Centrifuga: l’acqua oleosa viene spostata lungo un percorso circolare dal moto rotatorio del dispositivo.
•   Cicloni: Il liquido è costretto in movimento circolare a causa di iniezione tangenziale del fluido (olio/acqua).
•      Vortex: La separazione di miscele olio/acqua è ottenuta trasmettendo un moto di rotazione alla miscela, in un recipiente cilindrico.

Il filtraggio è uno dei più antichi metodi utilizzati. E 'molto efficace per la rimozione di idrocarburi in sospensione in particolare.

•      Multimedia: consiste nel far passare la miscela olio / acqua attraverso una serie di strati di differenti materiali solidi di dimensioni e densità diverse. Il grande vantaggio è la bassa caduta di pressione per alte portate senza ridurre la qualità dell'effluente.
•      Filtri ad Assorbimento ed Adsorbimento: Il carbone attivo, ed il grafene durante gli ultimi anni, hanno dimostrato una elevata capacità di adsorbimento. La saturazione delle cartucce e la rigenerazione dei materiali sono i principali problemi che i ricercatori si trovano ad affrontare oggi per superare la barriera di fattibilità. Efficienza tra il 95 e il 100%.

Membrana: Negli ultimi decenni sono state sviluppate membrane idrorepellenti e materiali idrofili. Per essere efficaci, le membrane devono essere scelte a seconda delle caratteristiche della sostanza da separare, però trovarano delle difficoltà nel separare idrocarburi viscosi. È ancora una tecnologia molto costosa ed il suo utilizzo può essere giustificato se fatto all’ultima fase di filtrazione per rimuovere le ultime tracce di idrocarburi da acqua.

Elettrodialisi: La separazione avviene attraverso l'applicazione di una corrente elettrica. È stata trovata una maggiore applicazione nel campo degli impianti di dissalazione.

Osmosi inversa: Applicando una pressione alla sostanza per il trattamento di olio e acqua vengono separati sulla superficie della membrana poiché hanno una dimensione molecolare maggiore di acqua, che può passare attraverso la membrana.

Ultrafiltrazione: Simile al dell'osmosi inversa funziona a pressioni molto più basse.

Coalescenza: Aiuta al ragruppamento delle gocce d’idrocarburo in soluzione acquosa. In generale aiuta a velocizzare i processi di separazione di cui sopra (gravitazionale, di rotazione, di filtrazione). In alcuni casi si possono raggiungere valori di efficienza del 90-98%

Altre tecnologie:

•         Separazione elettromagnetica
•         Separazione termica
•        Separazione ultrasuoni
•         Separazione cromatografica

Per ottenere una separazione quasi perfetta dovremo far uso di una successione di diversi metodi utilizzati in cascata con la giusta combinazione per soddisfare le esigenze di ciascun caso.

Osmosi inversa, ultrafiltrazione e l'adsorbimento con carbone attivo o grafene sono i metodi più potenziali, ma comportano costi elevati di gestione, soprattutto a livello energetico, e attrezzature ausiliarie. Intanto la separazione per gravità ha bisogno di grandi volumi di lavoro e lunghi tempi di permanenza per cui viene utilizzata come pretrattamento. Mentre i filtri, a causa della loro facilità di saturazione e costi elevati in alcuni casi sono adatti per uno stadio finale di separazione in cui ben raggiungere un'efficienza del 100%.

Da questo analisi delle tecnologie di separazione segue che l'azione più appropriata per migliorare le prestazioni di skimmer è l’utilizzo della coalescenza e della separazione rotazionale.

L’APERTURA DI UNA NUOVA VIA

L'obiettivo è chiaro: vogliamo aumentare l'efficienza degli skimmer e migliorare il bilancio energetico delle operazioni di bonifica. 

Potremmo analizzare passo per passo le operazioni svolte dal recupero al trattamento dei rifiuti cercando di adottare tecniche migliori e motorizzazioni  a basso consumo, lo faremo, ma c'è un lavoro che possiamo fare prima e contribuirà più che altro al miglioramento che cerchiamo: Abbiamo bisogno di separare la massima quantità di acqua possibile all'interno dello skimmer e prima del pompaggio.

Analizzeremo le diverse tecniche di separazione che esistono nel settore industriale e cercheremo il modo di integrarle nei mezzi di recupero.

SOLUZIONI AL PROBLEMA DELL'EFFICIENZA RECUPERO MECCANICO

Come menzionato in post precedenti, la scarsa efficienza dei mezzi meccanici di recupero provoca elevati costi aggiuntivi di bonifica e purificazione.

Tra i fattori che influenzano l'efficienza del recupero meccanico abbiamo citato le condizioni climatiche ed il tipo di skimmer. Migliorare il meteo non è nelle nostre mani, ma si migliorare le prestazioni degli skimmer esistenti e creare nuovi sistemi di recupero.

Skimmer

Alcuni produttori di skimmer meccanici e sistemi di recupero stanno facendo sforzi importanti in materia di innovazione per migliorare i suoi prodotti e proporne altri nuovi che migliorano le prestazioni di cui sopra. Purtroppo sono pochi i produttori hanno scelto la strada di innovazione rispetto a una quota di maggioranza da prodotti tradizionali quasi invariato dal suo rilascio.

Attualmente si cerca il miglioramento della efficienza degli skimmer con la ricerca sulla geometria e materiali della superficie di contatto con gli idrocarburi. In caso dello skimmer a tamburo la creazione di scanalature perimetrali aumentano la portata e lo spettro di idrocarburi recuperabili secondo la sua viscosità. Nel caso dello skimmer a dischi queste scanalature sono principalmente laterali e migliorano principalmente la portata di fluido recuperato.

Abbiamo scelto questi due tipi di skimmer perché sono quelli che offrono una maggiore efficienza, ma in compenso sono più limitati quando si lavora con fluidi viscosi.

Per quanto riguarda lo skimmer a spazzole, più adatto per fluidi a media ed alta viscosità poco è stato raggiunto. I produttori solitamente ci prestentano modifiche nella configurazione delle spazzole che sembrano più concentrate sulla riduzione dei costi che sull’aumento dell'efficienza.

Infine, ci riferiamo alle skimmer a stramazzo, forse il più venduto in tutto il mondo. I progressi tecnologici sperimentati da questi skimmer sono stati tutta la sua storia quasi inesistenti.

Altri sistemi di recupero

Per migliorare le prestazioni di skimmer può anche agire sul loro ambiente. Migliorare le condizioni di lavoro di aiuto per aumentare le prestazioni.

Attualmente ci sono diversi sistemi, con l'ausilio di barriere di contenimento e chiatte risulta possibile raggruppare le macchie d’idrocarburo nelle vicinanze dello skimmer, aumentando così lo spessore dello stratto d’idrocarburi e per tanto facilitando l’aumento della efficienza e la diminuzione del contenuto di acqua nella sostanza recuperata.

Purtroppo, e anche se i buoni costruttori di skimmer e di altri sistemi insistono, le condizioni meteorologiche sono decisive e minimizzano i progressi nel campo dell'innovazione. Sono importanti, ma non sufficienti i miglioramenti.

A questo punto, cosa rimane da fare? Perché non agire sulla fase di pompaggio per minimizzare la presenza di acqua?

IL BILANCIO ENERGETICO DEL RECUPERO MECCANICO

I lavori di recupero degli idrocarburi sversati hanno un elevato costo energetico oltre a causare un inquinamento secondario causato dall'uso di motorizzazioni inquinanti.

Inoltre all'utilizzo di tecnologie antidiluviane, il maggior contributo all'aumento dell'energia consumata durante i lavori è causato dalla diminuzione di efficienza dello skimmer utilizzato, ovvero, l'aumento del volume di acqua nella sostanza recuperata.

Ad esempio, uno skimmer a stramazzo recupera una grande quantità di acqua che varia dal 50% (spessore strato sopra 25 mm) ed il 90% (spessori tra 1 e 8 mm), ciò significa che se siamo di fronte a una fuoriuscita di 1.000 m³ di idrocarburi recupereremo tra i 1.000 m³ e 9.000 m³ di acqua. Tra altre cose, stiamo moltiplicando per 10 il tempo necessario per la bonifica degli idrocarburi sversati.

Uno skimmer selettivo (spazzole, dischi, tamburo) può funzionare con un rendimento massimo del 95% (5% di acqua nella sostanza recuperata) che sarà notevolmente ridotto dal movimento delle onde, fino al 50%. In questo caso si recupererano tra 50 m³ e 1000 m³ di acqua, quest'ultimo è il caso più probabile.

La conseguenza di questa inefficienza degli skimmer è un aumento dei costi energetici nelle operazioni di recupero così suddivisi:

1. Aumento del tempo di funzionamento degli skimmer. Nel caso di un skimmer che lavora al 50% di efficienza dobbiamo operare il doppio del tempo rispetto ad un'operazione ideale (100% di efficacia). Uno skimmer selettivo che lavora al 50% consuma 66 kWh fronte agli 35 kWh dello skimmer con un'efficienza del 95%.

2. Aumento del consumo totale delle pompe di trasferimento tra skimmer e serbatoi di stoccaggio temporaneo. Nel caso di un skimmer a stramazzo lavorando con spessori di idrocarburi superiori a 25 mm l’energia necessaria per spingere i 1.000 m³ di olio sversato più altri 1.000 m³ acqua è 1.120 kWh mentre nel caso di spessori inferior al centimetro il consumo sale fino ai 5.600 kWh. In una situazione ideale, considerando una efficienza del 95%, il consumo sarebbe pari a 590 kWh, tra un 50% ed un 90% inferiore ai casi reali.

3. Aumento del consumo totale delle pompe di rilancio tra i serbatoi di stoccaggio temporaneo ed il separatore acqua-olio. Saremo in una simile situazione punto 2.

4. Costo energetico della separazione dei due fluidi. Già nella nave che da suporto ai lavori dovremo separare la maggior parte dell'acqua dagli idrocarburi, con l’aiuto di un separatore. Quest’acqua dovrebbe avere un contenuto di acqua inferiore a 15 ppm di idrocarburi. Il costo energetico di questa operazione è pari a 1.800 kWh nel primo caso di studio e 16.200 kWh nel secondo. Se avessimo lavorato con un sistema di recupero veramente efficace (95%), avremmo consumato 100 kWh per 1.000 m³ di olio sversato.

I calcoli di cui sopra sono estremamente indicativi e potrebbero subire variazioni significative a seconda di molti fattori, ma offrono una conferma eclatante della necessità di migliorare i metodi di recupero di olio versato, perché non solo si parla di un costo economico, ma di un costo elevato in termini di operatività, la reattività e l'autonomia dei mezzi.