Ottimizzazione delle condizioni di lavoro del sistema di recupero R134a di CMS per camere a piastre resistive

R134a is an important gas for the gaseous mixture used to feed the Resistive Plate Chamber (RPC) in CERN’s experiment Compact Muon Solenoid (CMS). The mixture has also other components such as water, SF6, nitrogen and isobutane. This last component forms a minimum azeotrope with the R134a (65/35 R134a/isobutane) which makes the R134a’s separation and purification particularly difficult. R134a is a Green House Gases (GHG) with a high Global Warming Potential (GWP), its cost is very high not only because of the big volume needed to use the CMS revelator, but also because the European political choice discourages the use of GHG with their taxation. A system to recycle as much as possible R134a is not only an economical choice but also an ethical one. The main component of gas detectors is the gas mixture that must be correct and stable for the proper system’s working; the use of expensive and greenhouse gases cannot be avoided because of physical requirements that impose certain choices on the gas mixture composition. The aim of this thesis consists of a study of the R134a recuperation system working on CMS, with the goals to find the key variables that allow the separation, to optimize them, and finding out if the system can work in continuous or semi-continuous to manage all the gas needed for the CMS working. The separation is based on a distillation process because the composition of the mixture is possible to do a standard distillation eliminating the azeotrope (65/35 R134a/ isobutane) in the vapor phase. Part of the R134a is wasted to allow the formation of the azeotrope and so the purification, but the recuperation efficiency after the purification is around 80%. The performances of the distillation process were studied and optimized in the light of gas chromatography measurements. The effects of experimental parameters affecting the performance have been investigated. Considering the experimental evidence reported in this Thesis, the system’s semi-continuous operating mode is available and well-tested, and it can trait the needed volume of gas with 80% efficiency and 99.9% of R134a purity. The continuous mode also has been tested, but only superficially and encouraging results were obtained.

R134a è un gas importante per la miscela gassosa utilizzata per alimentare la Camera a Piastre Resistive (RPC) nell'esperimento Compact Muon Solenoid (CMS) del CERN. La miscela contiene anche altri componenti come acqua, SF6, azoto e isobutano. Quest'ultimo componente forma un azeotropo di minima con il R134a (65/35 R134a/isobutano), il che rende particolarmente difficile la separazione e la purificazione del R134a. Il R134a è un gas ad effetto serra (GHG) con un elevato potenziale di riscaldamento globale (GWP), il suo costo è molto elevato non solo a causa del grande volume necessario per l'uso del rivelatore CMS, ma anche a causa della scelta politica europea che scoraggia l'uso di GHG con tassazioni. Un sistema per riciclare il più possibile il R134a non è solo una scelta economica, ma anche etica. Il componente principale dei rivelatori di gas è la miscela gassosa, che deve avere una composizione definita e stabile per il corretto funzionamento del sistema; l'uso di gas costosi e ad effetto serra non può essere evitato a causa di requisiti fisici che impongono determinate scelte sulla composizione della miscela gassosa. Lo scopo di questa tesi consiste nello studio del sistema di recupero del R134a utilizzato nel CMS, con l'obiettivo di individuare le variabili chiave che permettono la separazione, ottimizzarle e verificare se il sistema può funzionare in modo continuo o semi-continuo per gestire tutto il gas necessario per il funzionamento del CMS. La separazione si basa su un processo di distillazione in quanto la composizione della miscela permette di effettuare una distillazione standard eliminando l'azeotropo (65/35 R134a/isobutano) nella fase di vapore. Parte del R134a viene perso per consentire la formazione dell'azeotropo e quindi la purificazione, ma l'efficienza di recupero dopo la purificazione è di circa l'80%. Le prestazioni del processo di distillazione sono state studiate e ottimizzate alla luce delle misurazioni di cromatografia gassosa. Sono stati esaminati gli effetti dei parametri sperimentali che influenzano le prestazioni. Considerando le evidenze sperimentali riportate in questa tesi, la modalità di lavoro semicontinua del sistema è disponibile e ben testata, ed è in grado di gestire il volume necessario di gas con un'efficienza dell'80% e una purezza del R134a del 99,9%. La modalità continua è stata anch'essa testata, ma solo superficialmente, e sono stati ottenuti risultati incoraggianti.