Gas compressi: Rischi della compressione delle miscele di CO2 e H2O
Nel campo della progettazione, la compressione delle miscele di gas è un processo comune ma complesso che richiede una profonda comprensione delle proprietà e dei comportamenti dei gas coinvolti. Oggi, approfondiamo le specifiche della compressione dell'anidride carbonica (CO2) se miscelata con acqua (H2O), uno scenario che presenta sfide e rischi unici.
La natura del CO2
Il CO2 è un gas inodore e invisibile più pesante dell'aria ambiente.
A temperatura (20 °C) e pressione (1 bar) ambiente, esiste come gas, ma il suo comportamento cambia quando combinato con l'acqua. Nel caso in cui la concentrazione di H2O sia superiore al 2,33% di volume, l'acqua comincerà a condensarsi e a formare goccioline di liquido.
La condensa di H2O gassoso si verifica ad esempio quando una miscela di gas saturo calda viene raffreddata con un intercooler o un refrigeratore finale dopo la compressione.
Quando è presente H2O liquido, la miscela forma acido carbonico (H2CO3), che rappresenta un equilibrio tra gli ioni di CO2 e H2O e HCO3 liquidi. Questo equilibrio è influenzato dalla pressione parziale di CO2, che determina la quantità di CO2 che rimane come gas o si converte in ioni di HCO3 nella condensa.
Maggiore è la quantità di ioni HCO3 disciolti, maggiore sarà l'acido che si forma nella condensa.
I rischi acidi coinvolti
Il rischio primario di compressione di una miscela di CO2 e H2O risiede nella formazione di acidi. Quando la CO2 entra in contatto con l'acqua, forma acido carbonico, che può avere effetti corrosivi sui materiali utilizzati nella camera di compressione o in qualsiasi punto in cui può verificarsi la condensa.
Per questo motivo, l'uso di acciaio inossidabile nella costruzione dei compressori e dei relativi componenti è di fondamentale importanza. L'acciaio inossidabile offre resistenza alla natura corrosiva degli acidi che si formano durante la compressione e il raffreddamento, garantendo la durata e l'affidabilità dei macchinari.
Acciaio inox
L'acciaio inossidabile è rinomato per la sua resistenza alla corrosione, principalmente dovuta alla presenza di cromo. Per definizione, gli acciai inossidabili devono avere un contenuto minimo di cromo del 10,5% in peso. La resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile può essere ulteriormente migliorata con l'aggiunta di altri elementi leganti quali nichel, molibdeno, azoto e titanio.
Ad esempio, un tipo comune, l'acciaio inossidabile AISI 304L, contiene 18,111% di cromo e 8,074% di nichel, offrendo una buona resistenza alla corrosione e proprietà meccaniche, con una resistenza allo snervamento di 351 N/mm² e una resistenza alla trazione di 619 N/mm². È inoltre noto per il suo basso contenuto di carbonio, che aiuta a prevenire la corrosione intergranulare dopo la saldatura.
Queste proprietà rendono l'acciaio inossidabile un materiale ideale per molte applicazioni, comprese quelle nel settore medico, della lavorazione degli alimenti e dell'edilizia, in cui la durata e l'igiene sono fondamentali.
I rischi liquidi coinvolti
Un secondo, e ugualmente importante, rischio da considerare quando si tratta di miscele di gas che includono H2O come parte della miscela, è correlato alla formazione di goccioline di liquido prima della compressione. Queste gocce di liquido sono molto meno comprimibili rispetto a un gas. Se entrassero in una camera di compressione di un compressore volumetrico, le forze necessarie per comprimerli potrebbero essere molto più elevate rispetto a quanto previsto dal compressore a gas.
Ciò potrebbe causare guasti all'albero motore, danni alla biella o altri guasti meccanici.
Per ridurre i rischi associati alla compressione di CO2 umida e, in particolare, di CO2 saturata, è obbligatorio utilizzare
un separatore di ingresso.
- Questo dispositivo impedisce l'ingresso di acqua liquida nella camera di compressione, proteggendo cilindri, valvole e pistoni da eventuali danni.
- Garantisce inoltre il funzionamento affidabile del compressore a gas nelle applicazioni più impegnative.
I rischi termici coinvolti
Un altro aspetto da considerare è il calore specifico della miscela di gas. Il calore specifico indica la quantità di energia necessaria per modificare la temperatura del gas. Se si comprime la stessa quantità di aria ambiente o di CO2 pura, la temperatura del gas sarà diversa alla stessa pressione di uscita.
Una conoscenza approfondita di questa proprietà è essenziale per ottimizzare il processo di compressione e i relativi requisiti di raffreddamento, al fine di evitare qualsiasi rischio associato alle variazioni di temperatura.
Un intercooler e un refrigeratore finale di dimensioni adeguate consentono il funzionamento più efficiente del compressore e riducono al minimo i costi di esercizio.
Conclusioni
La compressione delle miscele di CO2 e H2O è un'attività che richiede il rispetto delle proprietà del gas coinvolto.
Utilizzando i materiali giusti, come l'acciaio inossidabile, e incorporando misure di sicurezza come i separatori di ingresso, gli ingegneri possono gestire efficacemente i rischi e garantire operazioni sicure ed efficienti.