Gasreiniging

Gasabsorptie

Efficiëntie en prestatie
Verwijderingsefficiëntie van gasabsorbers variëren per oplosmiddel (wasvloeistof) en met het gebruikte type absorber. De meeste absorbers hebben verwijderingsefficiënties van meer dan 90 procent, en gepakte kolomabsorbers kunnen efficiënties bereiken tot 99,9 procent voor sommige vervuilende oplosmiddelsystemen. De geschiktheid van gasabsorptie als methode voor de bestrijding van verontreiniging is over het algemeen afhankelijk van de volgende factoren:

1. de beschikbaarheid van geschikt oplosmiddel (wasvloeistof);
2. vereiste verwijderingsefficiëntie;
3. verontreinigende concentratie in de inlaatdamp;
4. capaciteit die nodig is voor de verwerking van afvalgas;
5. terugwinningswaarde van de verontreinigende stoffen of de verwijderingskosten van het verbruikte oplosmiddel.

De fysieke absorptie is afhankelijk van de eigenschappen van de gasstroom en het oplosmiddel, zoals dichtheid en viscositeit, evenals specifieke kenmerken van de verontreinigende stoffen in het gas en de vloeistofstroom (bijvoorbeeld oplosbaarheid in evenwicht). Deze eigenschappen zijn afhankelijk van de temperatuur, bij lagere temperaturen in het algemeen absorbeert het oplosmiddel de gassen beter. De absorptie wordt ook versterkt door een groter contactoppervlak, hogere vloeistof-gasverhoudingen en hogere concentraties in de gasstroom.

Het voor de verwijdering van de verontreinigende stoffen dient het gekozen oplosmiddel een hoge oplosbaarheid te hebben voor het gas, lage dampdruk te hebben, een lage viscositeit en moet relatief goedkoop zijn. Water is het meest voorkomende oplosmiddel dat wordt gebruikt om anorganische verontreinigingen te verwijderen; het wordt ook gebruikt om organische verbindingen met relatief hoge wateroplosbaarheid te absorberen. Voor organische verbindingen met een lage wateroplosbaarheid worden andere oplosmiddelen zoals oliën op koolwaterstofbasis gebruikt, maar alleen in industrieën waar grote hoeveelheden van deze oliën beschikbaar zijn (d.w.z. aardolieraffinaderijen en petrochemische fabrieken).

De verwijdering van verontreinigende stoffen kan ook worden verbeterd door de chemie van de absorberende oplossing te manipuleren, zodat deze reageert met de verontreinigende stoffen, bijvoorbeeld een basische oplossing voor zuur-gasabsorptie versus zuiver water als oplosmiddel. Chemische absorptie kan worden beperkt door de snelheid van de reactie, hoewel de snelheid beperkende stap meestal de fysieke absorptiesnelheid is, niet de chemische reactiesnelheid.

Procesbeschrijving

Absorptie is een massaoverdracht principe waarbij een of meer oplosbare componenten van een gasmengsel worden opgelost in een vloeistof met een lage volatiliteit onder de gegeven procesomstandigheden. De verontreinigende stof verspreidt zich van het gas in de vloeistof wanneer de vloeistof minder dan de evenwichtsconcentratie van de gasvormige component bevat. Het verschil tussen de werkelijke concentratie en de evenwichtsconcentratie zorgt voor de drijvende kracht achter de absorptie.

Een goed ontworpen gaswasser zorgt voor intensief contact tussen het gas en het oplosmiddel om de opname van de verontreinigende stoffen te vergemakkelijken. Het zal veel beter presteren dan een slecht ontworpen gaswasser. De snelheid van massaoverdracht tussen de twee fasen is grotendeels afhankelijk van het blootgestelde oppervlak en het tijdstip van contact. Andere factoren die van toepassing zijn op de absorptiesnelheid, zoals de oplosbaarheid van het gas in het specifieke oplosmiddel en de mate van de chemische reactie, zijn kenmerkend voor de betrokken bestanddelen en zijn relatief onafhankelijk van de gebruikte apparatuur.

Gaswasser configuratie

Gas en vloeistofstroom door een absorber kunnen tegenstroom, kruisstroom of meestrooms zijn. De meest geïnstalleerde ontwerpen zijn tegenstroom, waarbij de afvalgasstroom aan de onderkant van de gaswasserkolom binnenkomt en aan de bovenkant uitgaat. Omgekeerd komt de wasvloeistof aan de bovenkant binnen en wordt aan de onderkant afgevoerd. Zie: Verticale Wassers en Scrubbers

Tegenstroom ontwerpen bieden de hoogste theoretische verwijderingsefficiëntie, omdat gas met de laagste verontreinigende concentratie in contact komt met vloeistof met de laagste verontreinigende concentratie. Dit dient om de gemiddelde drijvende kracht (oplosbaarheid, diffusie) voor absorptie door de kolom te maximaliseren. Bovendien vereisen tegenstroomontwerpen meestal lagere vloeistof-gasverhoudingen dan meestrooms kolommen en zijn zij geschikter wanneer de verontreinigende belasting hoger is, de oplosbaarheid minder goed is en functioneren veel efficiënter in relatie tot zeer kleine (vuil)deeltjes.

In een kruisstroomkolom stroomt het afvalgas horizontaal over de kolom terwijl het oplosmiddel verticaal door de kolom stroomt. In de regel hebben kruisstroom-ontwerpen lagere drukdalingen en vereisen ze lagere vloeistof-gasverhoudingen dan zowel meestrooms- als tegenstroomontwerpen. Ze worden toegepast wanneer gassen zeer oplosbaar zijn, omdat ze minder contacttijd bieden voor absorptie. Zie: Horizontale Wassers en Scrubbers

In meestrooms kolommen, worden zowel het gas en de wasvloeistof aan de bovenzijde van de kolom ingevoerd en de uittrede bevindt zich aan de onderzijde. Meestroomsontwerpen hebben lagere drukverliezen, hebben minder last van overstroming maar zijn echter minder efficiënter voor fijne (dat wil zeggen, submicron) mist verwijdering. Meestroomsontwerpen zijn alleen efficiënt waar grote absorptie drijvende krachten (hoge oplosbaarheid) beschikbaar zijn. De verwijderingsefficiëntie is beperkt aangezien het gas-vloeistofsysteem evenwicht bij de bodem van de toren nadert.

Soorten absorptie systemen

De beschrijvingen van de volgende systemen zijn vrijwel allen gebaseerd op het tegenstroomprincipe daar dit omwille van de hogere efficiëntie met de huidige emissierichtlijnen het meest voorkomende principe is. Systemen die zijn gebaseerd op de absorptieprincipes omvatten kolommen met een gepakt bed, kolommen met schotels, venturi scrubbers en open sproei systemen.

1. Gepakte kolommen
   Gepakte torens zijn kolommen gevuld met pakkingmaterialen die een groot oppervlak bieden om het contact tussen de vloeistof en het gas te vergemakkelijken. Gepakte torens kunnen een hogere verwijderingsefficiëntie bereiken, hogere vloeistofsnelheden hanteren en relatief lagere waterverbruik nodig hebben dan andere soorten absorbers. Echter, gepakte torens kunnen ook een hoog drukverschil genereren, hebben een hoog verstopping en vervuiling potentieel, behoorlijke onderhoudskosten als gevolg van de pakking. Installatie-, exploitatie- en afvalwaterverwijderingskosten kunnen ook hoger zijn voor gepakte kolommen dan voor andere absorbers. Naast pomp- en ventilatorvermogenseisen en oplosmiddelkosten hebben gepakte torens exploitatiekosten als gevolg van het vervangen van de beschadigde pakking.
2. Schotelkolommen
   Plaat- of schotelkolommen zijn verticale cilinders waarin de vloeistof en gas met elkaar in contact worden gebracht in stapsgewijze wijze op trays (platen). Vloeistof komt aan de bovenkant van de kolom en stroomt over elke plaat en door een downspout (downcomer) naar de platen hieronder. Gas beweegt omhoog door openingen in de schotels, borrelt in de vloeistof, en gaat naar de plaat erboven. Plaat kolommen zijn gemakkelijker schoon te maken en hebben en kunnen beter omgaan met grote temperatuurschommelingen dan gepakte kolommen. Echter, bij grote gasdebieten, vertonen schotel kolommen een groter drukverlies en hebben grotere vloeistof hold-ups. Schotel kolommen zijn over het algemeen gemaakt van materialen zoals roestvrij staal, die bestand zijn tegen de kracht van de vloeistof op de schotels en bieden ook corrosie bescherming. Gepakte kolommen hebben de voorkeur boven schotel kolommen ingeval van zuren en andere corrosieve materialen, omdat de kolom constructie kan dan worden gefabriceerd uit glasvezel, polyvinylchloride, of andere minder dure, corrosie resistente materialen. Gepakte kolommen hebben ook de voorkeur ingeval van kolommen kleiner dan twee meter in diameter en wanneer drukval een belangrijke overweging is.
3. Venturi scrubber
   Venturi scrubbers worden over het algemeen toegepast voor de bestrijding van fijnstof en zwaveldioxide. Ze zijn ontworpen voor toepassingen met een hoge verwijderingsefficiëntie van submicron deeltjes, tussen Ø 0,5 en Ø 5,0 µm. Een venturi scrubber maakt gebruik van een geleidelijk convergerende en vervolgens divergerende sectie, genaamd de keel, om inkomende gasvormige stromen schoon te maken. Vloeistof wordt ofwel geïntroduceerd in de venturi stroomopwaarts van de keel of direct geïnjecteerd in de keel waar het wordt geatomiseerd door de gasvormige stroom. Zodra de vloeistof is geatomiseerd, verzamelt het deeltjes van het gas en voert deze af uit de venturi. De hoge drukval door deze systemen resulteert in een hoog energieverbruik, en de vrij korte vloeistof-gas contacttijd beperkt hun toepassing tot enkel de best oplosbare gassen. Daarom worden ze zelden gebruikt voor de afscheiden van vluchtige organische stoffen emissies in de verdunde concentratie.
4. Open-sproei kolommen
   Open-sproei systemen werken op basis het verschil in snelheidspotentiaal van vloeibare druppels via een distributiesysteem met sproeiers en het intredende gas. De druppels vallen vervolgens onder invloed van de zwaartekracht door een tegenstrooms gasstroom en raken in contact met de vervuilende deeltjes in het gas. De druppels worden onder druk gevormd en hierdoor ontstaat een zeer fijne nevel met een zeer groot reactie oppervlak waardoor er een zeer efficiënte captatie van deeltjes ontstaat. De kolommen kunnen evenals de gepakte kolommen eenvoudig van constructie zijn en zijn daardoor minder complex dan de schotelkolommen en venturi scrubbers. De sproei kolommen werken relatief eenvoudig en zijn zeer onderhoudsvriendelijk en hebben vrij lage energiekosten.
Zie: Optimalisatie Sproeisystemen