Gepakte scrubberkolommen

Pakkingen is een verzamelnaam voor een contactlichaam dat in een scrubberkolom gebruikt kan worden om het uitwisselingsproces van deeltjes in de gasstroom en de wasvloeistof te verbeteren. Een pakking kan gestructureerd zijn wat betekent dat de pakking bestaat uit een pakket van gesegmenteerde delen welke in de kolom opgestapeld worden. Een veel voorkomende variant van een pakking zijn de losgestorte vullichamen welke bestaan uit specifiek gevormde componenten waarmee de kolom over een vooraf bepaalde hoogte wordt gevuld.

Een gepakte kolom bestaat uit een verticale cilindervormige behuizing inclusief internals zoals druppelvangers, vloeistofverdelers, pakking, een draagrooster en kan een afdekrooster bevatten. De  toegepaste internals en de combinatie van de internals is afhankelijk van de applicatie en zal dus voor praktisch iedere toepassing verschillend zijn.

>Pakkingsmaterialen bieden een groot contactoppervlak waardoor voor de gasstroom de maximale massaoverdracht wordt gecreëerd. Deze materialen zijn verkrijgbaar in verschillende vormen, elk met specifieke kenmerken met betrekking tot oppervlakte, drukval, gewicht, corrosiebestendigheid en kosten. De levensduur van de pakking is afhankelijk van de toepassing. In ideale omstandigheden zal de pakking net zo lang meegaan als de kolom zelf. In ongunstige omstandigheden kan de pakking soms veel sneller als gevolg van corrosie, vervuiling, inzakken en breuk onbruikbaar raken. Pakkingen worden gecategoriseerd als losgestort of gestructureerd. Losgestorte pakkingen worden meestal gedumpt in een absorptiekolom en mogen zich vestigen. Moderne losgestorte pakkingen bestaan uit zodanig ontworpen vormen dat de verhouding tussen oppervlakte en volume gemaximaliseerd wordt en de drukval te geminimaliseerd.

Selectie van Corrosiebestendige Materialen voor Gaswassystemen

Niet alleen het proces heeft een grote invloed op het type pakking dat wordt gebruikt maar ook de (chemische) componenten welke door het gas worden meegevoerd hebben invloed. Wanneer bijvoorbeeld zeer corrosieve deeltjes, oplosmiddelen of gassen worden gebruikt is de toepassing van corrosiebestendige legeringen of kunststofmaterialen voor kolominternals onvermijdelijk.

De kolom zelf kan worden gemaakt van (roestvast) staal of kunststof, of een combinatie van deze materialen, afhankelijk van de corrosiviteit van het gas, de wasvloeistof, druk en temperatuur. Er kan dan een legering die chemisch en temperatuurbestendig is of meerdere lagen van verschillende, minder dure materialen worden toegepast. De behuizing kan dan bijvoorbeeld bekleed worden met een beschermende coating of binnenmantel, vaak gemaakt van een corrosiebestendig polymeer. Voor absorptie met zure gassen kan een binnenlaag van zuurbestendige stenen, bekleding met fluorkunststoffen of (glas)email voor een extra chemische bestendigheid zorgen.

(zie: Verticale scrubbers)

Ontwerp en Functionaliteit van Vloeistofverdelers in Absorptiekolommen

Een vloeistofverdeler is ontworpen om het pakkingbed gelijkmatig nat te maken en om een uniform contact tussen de vloeistof en de gas te initiëren. De vloeistofverdeler moet de vloeistof gelijkmatig verspreiden, bestand zijn tegen verstopping en vervuiling, een groot vrij volume bieden voor de gasstroom en een operationele flexibiliteit mogelijk maken. De hoge kolommen hebben vaak een vloeistofherverdeler om vloeistof van de kolomwand te verzamelen en het terug naar het centrum van de kolom te distribueren en tot een verbeterd contact in de onderliggende sectie van het pakkingbed te leiden. Vloeistofherverdelers zijn over het algemeen vereist voor elke 2.500 tot 6.000 mm pakkinghoogte; dit uiteraard in relatie tot de diameter van de kolom. De vloeistofverdelers vallen in twee categorieën uiteen: gravitatietypes, verdeelplaten, en druktypes, zoals sproeisystemen en geperforeerde leidingen. Sproeiers zijn de meest voorkomende distributeurs, maar ze kunnen een fijne mist genereren die gemakkelijk meegevoerd kan worden in de gasstroom. Ze kunnen ook verstoppen, en vereisen meestal grote debieten om een slechte distributie te compenseren. Vloeistofverdelers bestaan meestal uit platte trays met een aantal goten voor gasstroom en perforaties in de trayvloer voor vloeistofstroom. De trays zelf kunnen wel voor een soms ongewenst drukverlies in de gasstroom zorgen.

Evolutie en Selectie van Vullichamen voor Absorptietorens

De eerste losgestorte vullichamen, welke speciaal ontworpen voor absorptietorens, werden gemaakt van keramiek. Het gebruik van keramiek is afgenomen vanwege hun kwetsbaarheid, relatief ongunstige volume-oppervlakte verhouding en kostprijs waardoor de huidige markt wordt gedomineerd door metaal en kunststof. Metalen pakkingen kunnen in het algemeen niet worden gebruikt voor zeer corrosieve stoffen, zoals zuur gas, en kunststof pakkingen zijn niet geschikt voor toepassingen met hoge temperaturen.

De meest voorkomende gepakte kolommen zijn van een tegenstroom principe. Als het afgas in de gepakte kolom naar boven stroomt, zal er weerstand opgebouwd worden als gevolg van het pakkingbed en de wasvloeistof die naar beneden stroomt. De drukval in een kolom is de functie van het gasdebiet en het vloeistofdebiet en de kenmerken van de pakking zoals het specifiek oppervlak en het vrij volume. Een hoge drukval resulteert in een hoog ventilatorvermogen om het gas door de gepakte kolom te stuwen en zal bijgevolg hoge kosten met zich meebrengen.

Optimalisatie van Debieten in Absorptiekolommen

Voor elke kolom zijn er boven- en ondergrenzen aan de wasvloeistof- en gasdebieten om goede prestaties te kunnen waarborgen. Het gasdebiet kan zo hoog worden dat de weerstand op de wasvloeistof zo hoog wordt dat de wasvloeistof niet meer vrij door de kolom kan stromen. De wasvloeistof begint te accumuleren en blokkeert het gehele oppervlak voor het gas, waardoor de drukval toeneemt en voorkomt dat de wasvloeistof en het gas in de pakking effectief mengen. Wanneer al het vrije volume in de pakking is gevuld met wasvloeistof en de vloeistof wordt naar boven gestuwd in de kolom, wordt de scrubber als overstroomd (flooden) beschouwd. De meeste gepakte kolommen werken op 60 tot 70 procent van de overstromingssnelheid van gas, omdat het niet praktisch is om een kolom in een overstroomde staat te laten functioneren. Er is ook een minimaal vloeistofdebiet vereist om de pakking voldoende te bevloeien om een effectieve massaoverdracht tussen het gas en de wasvloeistof te kunnen laten plaatsvinden.

De inlaattemperatuur van het afgas is een andere belangrijke parameter. Over het algemeen geldt: hoe hoger de gastemperatuur, hoe lager de absorptiesnelheid en vice versa. Te hoge gastemperaturen kunnen ook leiden tot een aanzienlijk verlies van wasvloeistof door verdamping. Hierdoor kunnen gaskoelers (bijv. quenchers) nodig zijn om de gastemperatuur tot aanvaardbare niveaus te verlagen.

(zie: Quenchers)

Beheer van Chemische Reacties en Temperatuur in Absorptieprocessen

Voor processen die zijn gebaseerd op chemische reactie met absorptie, is een extra zorg de reactiesnelheid tussen wasvloeistof en de verontreinigende stof(en). De meeste chemische gasabsorptiereacties zijn relatief snel en de begrenzing is vaak de fysische absorptie van de verontreinigende stoffen in wasvloeistof. Voor oplosmiddelverontreinigende systemen waarbij de chemische reactie de beperkende stap is, moeten de reactiesnelheden echter kinetisch worden geanalyseerd. Hierdoor kan het noodzakelijk zijn om een mogelijk extra grote buffertank te plaatsen om de chemische reactie hierin verder te laten plaatsvinden. Warmte kan ontstaan als gevolg van exotherme chemische reacties. Warmte kan ook worden gegenereerd wanneer grote hoeveelheden worden geabsorbeerd in de wasvloeistof, als gevolg van de warmte van de oplossing. De resulterende temperatuurverandering langs de hoogte van de absorberkolom kan de internals of instrumentatie beschadigen en de absorptie-efficiëntie verminderen.

Dit probleem kan worden voorkomen door bijvoorbeeld koelspiralen in de kolom aan te brengen. In die systemen, waar water de wasvloeistof is, treedt echter adiabatische koeling van het gas op tijdens absorptie als gevolg van verdamping. Dit veroorzaakt een aanzienlijke koeling van de kolom waarbij de warmte die wordt gegenereerd door chemische reacties vaak volledig wordt gecompenseerd. Koelspiralen zijn dus zelden vereist bij dit soort processen. In ieder geval mogen gepakte kolommen worden ontworpen als isotherme processen welke heersen in de gehele kolom. Het effluent van de kolom kan in het systeem worden gerecycled en opnieuw worden gebruikt. Dit is meestal het geval als het oplosmiddel duur is of niet of nauwelijks mag worden geloosd. In eerste instantie is de spui of recyclestroom naar een afvalwaterzuiveringsinstallatie om de verontreinigende stoffen of het reactieproduct te verwijderen. Verse wasvloeistof kan dan worden gesuppleerd voordat de wasvloeistof opnieuw de kolom instroomt. Recirculatie van wasvloeistof  vereist uiteraard een pomp, terugwinningssysteem van de wasvloeistof, doseersystemen voor additieven en alle bijbehorende leidingen, appendages en instrumentatie.

Het ontwerp van gepakte scrubberkolommen voor het reinigen van gasstromen die een mengsel bevatten van verontreinigende stoffen of componenten in gas hangt af van de volgende parameters:

• Het debiet van het afvalgas;
• Samenstelling van het afgas en de concentratie verontreinigende stoffen en componenten;
• Vereiste verwijderingsefficiëntie;
• Evenwichtsrelatie tussen de verontreinigende stoffen, componenten en de wasvloeistof;
• Eigenschappen van de verontreinigende stof(en), componenten en het gas en de wasvloeistof:

  - Diffusiviteit;
  - Viscositeit;
  - Soortelijke massa;
  - Molecuulgewicht.

De primaire doelstellingen van de ontwerpprocedures zijn het bepalen van het kolomoppervlak en het drukverlies over de kolom. Om deze parameters te bepalen, moeten de volgende stappen worden uitgevoerd, bepaling van de:

• Gas- en vloeistofstroomomstandigheden die de kolom binnenkomen en verlaten;
• Absorptiefactor;
• Diameter van de kolom;
• Hoogte van de kolom en het aanstroomoppervlak;
• Drukval over de gehele kolom.

Scrubbers zijn ontworpen op basis van de verhouding tussen vloeistof en gas die de kolom binnenkomt, helling van de evenwichtscurve en de gewenste verwijderingsefficiëntie. Deze factoren zijn berekend op basis van de variabele inlaat- en uitlaatgas en het wasvloeistofdebiet:

• Afvalgasdebiet, in bedrijfskubieke meters per uur, gemeten bij in- en uitgang van de kolom;
• Verontreinigende concentratie in het afgas (in mol verontreinigen per mol schoon gas) aan in- en uitgang van de kolom;
• Wasvloeistofdebiet, in kubieke meters per uuraan in- en uitgang van de kolom;
• Verontreinigende concentratie in wasvloeistof (in mol verontreinigen per mol schone wasvloeistof).

Druppelvangers

Bij hoge(re) gassnelheden, kan het gas dat de bovenzijde van de kolom verlaat vloeistofdruppels meevoeren. Om dit te voorkomen, kan een druppelvanger in de vorm van een lamelafscheider of een draadgeweven demister aan de bovenkant van de kolom worden geïnstalleerd om de druppels te verzamelen, te agglomereren en terug te laten vallen in de kolom.

(zie: Druppelafscheiders en demisters)