Technische realisatie van het strippen van ammoniak en zwavelwaterstof uit een waterige afvalstroom

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Nr:

2645

laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

...

H.!.Ç.~A

...

Ç;~~:r:§fl.~ ... ~.·.B.~.~~

...

WQ1U ... .

onderwerp:

. JEÇHNIS.CHE

..

R.EALISATIE

..

VAN .. HEl'

...

S.TRIPPEN

.

VAN

AMMONIAK

ad res: H. Coorens R.Holstlaan 438 2624 GS Delft E.H.Wolff opdrachtdatum: 1-10-1985 R.Holstlaan 404 2624 GR Delft verslagdatum : 25-2-1986

'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

TECHNISCHE REALISATIE VAN HET STRIPPEN, VAN AMMONIAK EN ZWAVELWATERSTOF UIT EEN WATERIGE AFVALSTROOM

~

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

---

~-DANKWOORD

Bij het tot stand komen van dit rapport hebben we dankbaar gebruik gemaakt van de aanwijzingen van ir. G. Hoogendoorn en dhr A. van den Ham.

I

I

I

1

I

I

I

I

1

I

I

I

.

I

,

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

INHOUDSOPGAVE Dankwoord Inhoudsopgave Samenvatting 1. Conclusies 2. Inleiding

3. Beschrijving huidige proces 4. Motivering keuze apparatuur 5. Chemie desorptieproces 6. Ontwerp bellenkolom 7. Discussie en conclusie

resultaten bellenkolom 8. Ontwerp gepakte kolom

8.1 Werking gepakte kolom 8.2 Ontwerp gepakte kolom 9. Discussie en conclusie

resultaten gepakte kolom 10. Overall massabalans over

de stripper

11. Beschrijving nieuwe proces 12. Procesbeveiliging

13. Kostenspecificatie 14. Symbolenlijst 15. Literatuurlijst

Bijlagen

1. Flowschema huidige situatie 2. Milieu-eisen afvalwater 3. Bepaling milieuheffing 4. Structuurdiagram bellenkolom Symbolenlijst Data Listing programma 5. Resultaten bellenkolom

6. Structuurdiagram gepakte kolom Verklaring symbolenlijst 1 2 3 4 7 9 11 16 17 17 19 22 24 26 27 28 29 31 1.1 2.1 3.1 4.1

4.3

4.5 4.6 5.1 6.1 6.3

I

I

I

I

I

I

I

:

1

:

1

I

I

I

I

I

1

I

I

I

I

I

I

I

Fysische grootheden gebruikte media

7. Resultaten gepakte kolom 8. Voorstel nieuwe flowschema 9. Chemiekaart zwavelwaterstof Chemiekaart ammoniak 6.5 7.1 8.1 9.1 9.2

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

1

1

-1-SAMENVATTING

Doel van het ontwerp was na te gaan in hoeverre het mogelijk is zwavelwaterstof en ammoniak uit afvalwater (condensaat) te strippen.

Gebleken is dat een bellenkolom die per batch de hoeveelheid condensaat van een dag zou moeten verwerken niet kan voldoen aan de randvoorwaarden die door de opdrachtgevers gesteld werden.

Met behulp van een gepakte kolom van circa 100 I inhoud is men in staat, bij een temperatuur van 70°C, 180 l/h condensaat te zuiveren. De ammoniakzuivering is ca. 90% terwijl de zwavelwaterstof-zuivering meer dan 99% bedraagt en ruimschoots aan de gestelde eisen voldoet. Bij een afschrijvingstijd van vijf jaar bedraagt de besparing op de transportkosten circa f1 25000,- per jaar. Tevens zal te betalen milieuheffing minder worden door de verwijdering van zowel ammoniak als zwavelwaterstof.

I

I

I

_,

I

_I

'

I

I

I

I

I

I

I

-2-1.CONCLUSIES

1. Het ammoniak is veel lastiger uit het condensaat te ver-wijderen dan de zwavelwaterstof.

2. Een bellenkolom die de hoeveelheid afvalwater van een dag moet zuiveren is niet in staat dit binnen acht uur te doen indien de randvoorwaarden van het bedrijf in acht genomen worden.

3. De verwijdering van zwavelwaterstof uit afvalwater binnen' de randvoorwaarden die door het bedrijf gesteld zijn, is mogelijk met een gepakte kolom (hoogte 1.26 m , diameter 0.31 m )

Het zwavelwaterstof wordt voor meer dan 99% gestript, terwijl het ammoniak voor ca. 90% verwijderd wordt. De bedrijfstemperatuur van de kolom is 70·C.

4. De hoeveelheid waterdamp meegevoerd naar de branders is ca. 17 kg/ho

5. De besparing op de vervoerskosten (gerekend met een af-schrijvingstermijn van vijf jaar) is ongeveer fl 25000,- per jaar.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

-3-2. INLEIDING

Naar aanleiding van een artikel over de gelijktijdige desorptie van ammoniak en zwavelwaterstof uit afvalwater in het mei-nummer van I2-procestechnologie, heeft de firma de Vries uit Barneveld contact met de TH gezocht met het verzoek een probleem uit de praktijk op te lossen. Uit dit contact ontstond het idee om het probleem in het

kader van een fabrieksvoorontwerp nader te bestuderen.

In het bedrijf worden kippeveren met aanhangend vocht ingedikt door ze te koken bij een temperatuur van 140

oe.

Het ontstane produkt wordt verkocht als verenmeel, een mengvoeder voor veevoer. Het

verenmeel wordt in twee tot drie gewichtsprocent toegevoegd aan diverse andere componenten. Bij het koken ontwijkt gas dat gedeeltelijk gecondenseerd wordt. Het hierbij ontstane condensaat bevat aanzienlijke hoeveelheden ammoniak en zwavel- waterstof. Vanwege het hoge sulfide gehalte mag dit condensaat niet op het open riool geloosd worden. Het water wordt daarom opgeslagen in tanks en regelmatig met tankauto's afgevoerd naar een zuiveringsinstallatie. De kosten van het transport inclusief huur van de tanks bedraagt ca. f30.000,-per jaar. Men vroeg zich in het bedrijf af of deze rompslomp en kosten vermeden of gereduceerd zouden kunnen worden door uit het condensaat ammoniak en zwavelwaterstof te strippen en te verbranden in de ketels die de warmte voor het kookproces leveren.

In dit rapport zal verslag gedaan worden van het doorrekenen van enkele alternatieven waarna een voorstel tot betere (goedkopere) procesvoering gedaan zal worden.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

-4-3. Beschrijving van het huidige proces

Het schema van de huidige processituatie is weergegeven in bijlage 1.

Voor de benodigde proceswarmte heeft men de beschikking over twee stoomketels. Een grote ketel met een capaciteit van 4000 kg stoom per uur, waarin de druk ca. 10 bar bedraagt en een kleine ketel met een capaciteit van 450 kg stoom per uur met een druk van 8- bar. Men geeft er de voorkeur aan om met de kleine ketel te werken.

De te koken veren worden met behulp van een transportband in een kookketel (Rl) geleid, waarna deze batchgewijs gekookt worden bij een temperatuur van 140Q

C en een druk van ca. 3.5 bar. De batchtijd bedraagt 1.5 tot 2 uur. Er zijn twee kookketels aanwezig die elk tien tot twaalf cycli per dag draaien. Het verenmeel wordt na druk afgelaten te hebben, door middel van een transport schroef uit de ketel geleid waarna het droogproces volgt.

De dampen die bij het kookproces vrijkomen gaan via een cycloon (Cy2) naar een luchtgekoelde condensor (H3). De cycloon dient om de vaste stofdeeltjes af te vangen.

Het in de condensor gevormde condensaat wordt opgevangen in tank (V4). De hoeveelheid condensaat per dag is 3.6 m3. Wanneer de tank vol is wordt deze met een vrachtwagen vervoerd naar een afvalwaterzuiveringsinstallatie.

De in de condensor (H3) aanwezige niet-condenseerbare gassen worden met behulp van een ventilator (PS) afgevoerd naar een biologisch afbraakbed.

Er wordt door tank (V4) boven het vloeistofoppervlak een luchtstroom van ca. 100 m3/h geleid. Omdat deze luchtstroom niet door, maar boven de vloeistof doorgeleid wordt, kan men hier spreken van een inefficiente manier van strippen. Deze luchtstroom met daarin aanwezig enkele gestripte componenten wordt naar de brander van de stoomketel geleid. Hier wordt het gemengd met de brandstof (aardgas) om daarna mee verbrand te worden.

I

I

I

I

.

1

I

I

I

1

I

I

I

I

I

I

I

I

-5-Uit ervaring is gebleken dat het niet mogelijk is om deze stroom in het biologisch afbraakbed te reinigen, aangezien de daar aanwezige micro-organismen deze hoeveelheid toegevoerde zwavelwaterstof niet kunnen verwerken.

Als richtgetal voor de te zuiveren concentraties zwavelwaterstof en ammoniak werden door het bedrijf respectievelijk 1.1 en 1.9 g/l opgegeven. De concentraties hebben betrekking op de vloeistof in tank (V4). Analyse van de door ons genomen monsters leverde een pH van 8.66 op en concentraties van 1.9 g/l H2S en 1.5 g/l NH3. Deze waarde voor zwavelwaterstof is te hoog om rechtstreeks in het riool af te voeren (zie bijlage 2).

In tegenstelling tot zwavelwaterstof bestaat er voor ammoniak in afvalwater geen concentratiegrens. Tegen betaling van een milieuheffing mag dit wel geloosd worden. Voor de bepaling van de heffing zie bijlage 3.

Omdat er lucht door de condensaattank (V4) geleid wordt, moet opgemerkt worden dat de concentratie zwavelwaterstof en ammoniak in deze tank afhankelijk is van de tijd dat het condensaat zich hierin bevindt. Vanwege deze invloed werd in het ontwerp uitgegaan van de dubbele waarde van de gemeten concentraties.

In de huidige situatie wordt het afvalwater naar een zuiveringsinstallatie afgevoerd. De kosten hiervan zijn als volgt verdeeld:

huur tanks f1 8,- per m3 transport f1 20,- per m3 reiniging f1 12,- per m3

---totaal f1 40,- per m3

Het bedrijf is zes dagen per week, 24 uur per dag werkzaam gedurende zo'n 300 dagen per jaar.

Per jaar is de reiniging en het vervoer een kostenpost van: 300

*

3.6 m3

*

fl 40,- per m3

=

fl 40000,- per jaar.

Door middel van het verwijderen van zwavelwaterstof zou men in ieder geval op de kosten van de huur van de tanks en het transport kunnen besparen, hetgeen resulteert in een besparing van zo'n fl 30000,-per jaar.

'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

-6-De opdracht van het bedrijf was na te gaan in hoeverre het mogelijk is het condensaat te reinigen met betrekking tot het zwavelwaterstof zodat in ieder geval op de vervoerkosten bespaard kan worden. Hierbij stelde het bedrijf echter een aantal randvoorwaarden:

1. Er mag geen gebruik gemaakt worden van chemica1ien.

2. Het systeem dat zorg draagt voor de zuivering moet eenvoudig te bedienen zijn.

3. De zuivering moet ter plekke geschieden, zonder overlast in de vorm van stank.

4. De totale kosten van de zuivering (inclusief investering) moeten lager liggen dan f1 30000,- per jaar (minder dan de huidige vervoerkosten).

5. Met het oog op een voor de hand liggende oplossing voor de H2S-verwijdering nl. strippen (desorberen) met stoom of lucht waarbij het stripgas naar de brander van de stoomketel wordt gevoerd, stelde het bedrijf dat de stroom waterdamp in het stripgas maximaal 40 kg/h mag zijn.

!

I

i

I

I

I

I

I

'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

.:j-4. MOTIVERING VAN KEUZE VAN APPRATUUR

Om tot een keuze van apparatuur te komen zijn enkele punten van belang die hieronder beschreven worden.

I.Continue of batchgewijze reiniging van het afvalwater

Aangezien het koken van de kippeveren batchgewijs geschiedt is de aanvoer van afvalwater ook discontinu. Omdat de geproduceerde hoeveelheid te reinigen condensaat per batch gering is

(ca. ISO 1) ligt het voor de hand de hoeveelheid afvalwater van een dag op te slaan en vervolgens in een keer te verwerken. Door gebruik te maken van een buffervat is zowel continue als batchgewijze verwerking mogelijk. Hierbij kan men in eerste instantie denken aan een bellenkolom welke eenvoudig batchgewijs te bedrijven is. Men laat de kolom vollopen met het condensaat waarna er stoom of lucht doorheen geleid wordt. Na een bepaalde tijd kan men het schone water laten weglopen waarna een volgende batch ingezet kan worden. Een continue procesvoering kan bedreven worden met een bellen- gepakte-of een schotelkolom. Batchgewijze procesvoering wordt voornamelijk gebruikt voor: - kleinere kwantiteiten

- voeding met variabele samenstelling.

voeding waarin vaste stoffen aanwezig zijn

Continue procesvoering heeft als voordeel dat het minder slijtage aan apparatuur veroorzaakt en de mogelijkheid biedt om in tegenstroom te werken.

2.De optimale procesomstandigheden voor een stripproces

Bij de keuze van de procesomstandigheden zijn er wat betreft de temperatuur twee tegenstrijdige belangen. Hoe hoger de temperatuur bij het strippen gekozen wordt, des te beter zal de ammoniak en de zwavelwaterstof uit de vloestoffase ontwijken. In lit.(2) worden relaties gegeven voor het systeem NH3-H2S-H20 betreffende

temperatuur

verdelingscoefficienten als functie van de voor de desbetreffende componenten. Deze

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

verdelingscoefficienten zijn van belang voor de berekening van de partiaalspanning van ammoniak en zwavelwaterstof.

Bij een hogere temperatuur , zal er meer waterdamp met het stripgas uit de kolom ontwijken, hetgeen van nadelige invloed zou kunnen zijn op de werking van de branders.

3.Het instellen van de temperatuur van het stripproces.

Door de stripkolom te isoleren en eventueel uitwendig te verwarmen met stoom kan men elke temperatuur tussen de 25 en

o

100 C instellen. De temperatuur in de stripkolom is tevens te regelen met de temperatuur van de voedingen.

4.Keuze type stripkolom

Op grond van punt 1 en de wetenschap dat een duurder is in uitvoering dan een bellenkolom of kolom en bovendien lastiger te bedrijven is, werd het doorrekenen van een bellenkolom (batchgewijs

schotelkolom een gepakte gekozen , voor strippen) en een gepakte kolom. Hierbij komen als hulpstoffen alleen lucht en stoom in aanmerking.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

- - - 9 -5. CHEMIE VAN HET DESORPTIEPROCES

De gas-vloeistofevenwichten voor het systeem H₂0 -NH3 -H2S laten zich als volgt weergeven:

-t'

-NH3,G ~ N\-\~,L ~ _NH4

+

OH H2S,(; ~ \·hS',L ~ HS-... \1 +

De reaktie van het HS -ion naar het S2:ion is bij de pH-waarde van 8.66 niet van belang.

De bijbehorende verdelingscoefficienten en evenwichtsconstanten zijn: de verdelingscoefficienten: de evenwichtsconstanten: KWH3

=

N\.\l,b NI-h.l lhS.G '"hC;,l NH4-+ • OH-'),N\-\3.

=

tUh.l '\\-\2.S= W.;-.I-t+ "'t<;.L

h~\\.:

(OH-rt-H~~ r.HS-.~",~ ,~l.S.L H

-+

-

+

r .

'\,"2.0

=

.

OH . ~~ . OH

Verder zijn de additionele vergelijkingen: de electroneutraliteitsbalans:

en de massabalans:

-+

~T

=

NH?,L +N\-\4

~ï

=

HZS'L +

"5-De waarden van de evenwichtsconstanten en oplosbaarheden zijn weergegeven in lit.(2).

Voor verdunde oplossingen (totale concentratie electrolyt

ca. 0.3 mol/kg) is de invloed van de activiteitscoefficienten niet zo groot l i t. (14) •

De versnelling van de stof overdracht van moleculen door de aanwezigheid van ionen laat zich modelleren door invoering van de versnellingsfactor E, lit.('~. De totale stofoverdracht wordt gegeven door:

[ I \ < ] - '

K

-

-

+

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

,

I

Voor ammoniak geldt:

E N\\3 -:: ,t Vanwege de pH=8.66 geldt

•

+

NH 4

Nl-\'?.L + NHr.=O, 10 -zodat ENH =1. 3

Aangezien HS-#), geldt dat E~lY1.

In het vervolg van dit verslag wordt desondanks beide versnellingsfactoren één, aangezien we niet

gerekend met weten of de versnellingsfactor constant is gedurende het strippen.

-I-i

I

i \

1

Figuur 1 Het model voor de beschrijving van de bellenkolom

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

,

I

i I

I

I

i

l

6. 11

-ONTWERP VAN EEN BELLENKOLOM

Het model dat aangenomen wordt om de ammoniak en zwavelwaterstof uit de vloeistoffase van een bellenkolom te desorberen staat weergegeven in figuur 1. Dit model gaat uit van een goed gemengde vloeistof- en gasfase. Volgens lit.(4) is dit toegestaan indien de hoogte-breedte verhouding kleiner is dan drie.

Volgens lit.(I) kan aangenomen worden dat de overdracht van vloeistof naar gas via een dubbele grenslaag verloopt. Er zijn nu concentratie-verschillen over beide films. Stel dat de flux

even~edig is met het concentratieverschil (zie figuur (2»: J.::KLICL-CUG))

J = KC:, ( CG ( ~ I - CG) (2)

Er zijn twee stofoverdrachtsvergelijkingen die te combineren zijn

indien de verdelingscoefficient constant is. In plaats van CL voert men een rekenconcentratie in:

(~)

De (6is een denkbeeldige concentratie in de andere fase die in evenwicht is met Cl(zie figuur 2c).

[)<UK CL)

L

,

I

F I L IJ ( L\

I

F I l H

(0

Figuur 2 Opbouw concentratiegradienten aan het fasen-grensvlak.

a. bij evenwicht b. bij onwicht

c. als b. inclusief denkbeeldige concentraties

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

1

I

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

12

-Indim cE ova-crachtsvergelijkingen iets omgewerkt worden vindt men: T

XK

_•

KaT CL -CL())

=

KL

..

CG - CG(G) =

-KL

..

CGC.6) -CG = J C& ,,4;(61

c·

C T K6 .. GeG) - G = KG it T,,(-' +~) (6((,) -C6 ₌ KG

KL

1 1 ( - 1 KOG = ( -

+ - )

K6 KL

ANt>.lOOG VOOR DE VLOEISTOFFASE GELDT:

J= KOL"CCL-CL*)

MET KOL:a (_I

+

_1_

fl

I~L ~ \(6

I

I

'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I !

I

I

I

!

-:

1

I

I

j

:

1

I

I

13

-Uitwerking massabalansen voor een bellenkolom met betrekking

tot de verwijdering van ammoniak en zwavelwaterstof.

dt GP.SF~SE ti)

V~

dC(;(NH3)

=

~V CG(NH~)o

+

KOGOJH3) A ( (60-1\-13) -

(G(~H3)

) -

~VC6(~H3)

(3)

dt

STEL dCGlNH3) ~ 0

de

M[I Kon13)

=

C~(~H3) lNGE'/ULD IN

n)

C L-(N\h)

=

KOG(NH~ A . CUN\l'1) -KO-iH"!)

KoGtNlü) A +

~v

cl (NT

= -

KNH1. KOG(NHWA _{(I _ K060.J\h)·A )( CNI - CS} I )

dt YL K06(Wth)A+<\l'J

UA)

(5)

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

~25: 14

-VLOE I STOF FASE

dC ST - _ KOUH2.S)·A (

CU~hS)

-

CL

OhS) )

dl: VL STEL dC(j(H2S) ~ 0

dt

C_G042.S)

=

KQGCI-I2S) A K~hS CLUhS) KOG{ HLS) A + <P v (L(\hS) = CG(H2S) KH2S KOG(H1S) A. CL( HlS) K06(lhS) A +

~V

SUBSTITUTIE VAN (10) EN KOL = K. KOG IN (11

BEPALING VAN CUH'lS)

K [HS-](\-l+] A(H1.';) '" [lhS,)l [H2.S

h

=

(~;T' KW KACH'lS) (OW] ( 8) (9) ( 10) (11) (12) (13 )

I

I

'

I

I

,

I

i

_j

l

I

I

I

I

15 -KB(NHl)

=

[NH~][OIt] (NH3 )t [m~-J = KBO-IH3.)t[ CNT - (ST]

eST

Cu IhS)

=

[ H2.Sh

UIT ~ ~3) EN (IYî \JOLGT

'l.

C _{U \12-C;) ==} Kw _{It - - - -}(S.T Kt..O .. hÇ) KB(NI-I:,) eNT - eST DiT INGFV DLD \N t (2) UVERT

d eST -\(~2.S KOGUhS) h ( I

de - VL

De twee differentiaalvergelijkingen die de verandering van de ammoniak- en de zwavelwaterstofconcentratie als functie van .de tijd geven kunnen simultaan numeriek opgelost worden met behulp van een Runge-Kutta procedure lit.(13).

Met behulp van een computerprogramma kan de concentratie ammoniak en zwavelwaterstof als functie van de tijd berekend worden. In bijlage 4 zijn achtereenvolgens opgenomen:

1. structuurdiagram

2. lijst van gebruikte symbolen 3. lijst met invoergegevens

4. listing van het computerprogramma

De resultaten worden gepresenteerd in bijlage 5.

(1'1 )

( IS)

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

16

-7. DISCUSSIE EN CONCLUSIE RESULTATEN BELLENKOLOM

Uit grafiek?1 blijkt dat de concentratie zwavelwaterstof bij aanvang van het strippen veel sneller afneemt

ammoniakconcentratie. Dit is te verklaren door het feit verde1ingscoefficient van zwavelwaterstof groter is verde1ingscoefficient van ammoniak.

dan dat dan de de de Bij een temperatuur van 100°C doet de be11en~olom er meer dan acht uur over om de zwavelwaterstof concentratie te doen dalen tot de vereiste waarde van 3 mo1/m~(0.1 g/l).

Bij lagere tempratuur is de batchtijd nog langer daar de verde1ingscoefficient van de twee gassen kleiner is.

Dit betekent dat de hoeveelheid ammoniak en zwavelwaterstof in de gas fase bij evenwicht minder is en dat er nog langer gestript moet worden.

Geconcludeerd kan worden dat:

1. de benodigde striptijd lang is (meer dan acht uur)

2. de benodigde hoeveelheid stoom groot is (meer dan 40 kg per uur). Dit is financieel onaantrekkelijk en tevens belemmerend voor de werking van de branders.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

17 -8. ONTWERP VAN EEN GEPAKTE KOLOM

8.1 Werking van een gepakte kolom

Kolommen met vullingen (gepakte kolommen) worden veelvuldig toegepast voor het bewerkstelligen van contact tussen gas- en vloeistoffasen. Kenmerkend zijn de vullingselementen die in vele uitvoeringsvormen verkrijgbaar zijn. Door keuze van vorm en afmeting kan aan gevarieerde eisen betreffende toepassing worden voldaan. Voor een intensief contact tussen gas- en vloeistoffase is het van belang dat de vullichamen een groot specifiek oppervlak hebben. Dit wordt bereikt bij een kleine afmeting van de pakkingelementen. Er wordt ook gestreefd naar een hoge doorvoercapaciteit hetgeen gerealiseerd kan worden door gebruik te maken van grote elementen met veel open ruimte. Door een goede keuze van constructiemateriaal van de pakking kan voldaan worden aan bijzondere procesomstandigheden zoals corrosiviteit, temperatuurbestendigheid, etc.

Het is meestal niet mogelijk om aan alle eisen te voldoen en daarom zal meestal een compromis worden gezocht. Voor technische toepassingen liggen de afmetingen van de vullichamen tussen de 25 en 100 mmo In ons geval zal de voorkeur uitgaan naar 25 mm-vullichamen omdat de doorvoercapaciteit vrij laag is en we een groot uitwisselend oppervlak willen hebben. We zullen gebruik maken van kunststof vullingen omdat zwavelwaterstof erg corrosief is m.b.t. metaal en omdat kunststofringen veel goedkoper zijn dan ringen van roestvrij staal.

De scheidende werking van de vullingen wordt uitgedrukt als de hoogte die equivalent is aan een theoretische scheidingstrap

0.10 0.05 L~-..L----~ 2 UI.

mmls

Holdup m 3/m 3 vulling

0·01~O.-1---r----'r---r-Or.5--r--r-r-'-1T.O-­

U_{g •}

mIs

Figuur

3

Hold-up waarden voor 25 mm Raschig ringen

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

1

I

I

I

I

I

I

I

1

i

:

1

!

.

I

~

I

I

I

I

I

I

I

·

1

I

:

1

!

:

1

- - - _ . _._ - - - - 18

-Bij lage snelheden stromen gas en vloeistof ongehinderd elkaar door de vulling. Bij een bepaalde snelheid van de damp

langs gaat de de vloeistof stroom hinder ondervinden van de dampstroom en gaat vloeistof zich ophopen in de vulling. Dit punt is bekend als het stuwpunt. Hier neemt de interactie tussen damp en vloeistof sterk toe en veroorzaakt een toename van het drukverlies en een daling van de HETS. Dit verschijnsel is karakteristiek voor los gestort vullingsmateriaal. Bij zeer hoge snelheden zal het gas de vloeistof meesleuren en zal de vloeistof overstromen (flooding).

Uit de praktijk blijkt dat vloeistof die over de pakking vloeit zich in het algemeen nauwelijks tot een filmstroming uitbreidt. De vloeistof stroomt meestal in de vorm van kleine kanaaltjes die hier en daar een ophoping veroorzaken tussen twee vullingelementen. Dit verschijnsel wordt hold-up genoemd. Het is van belang deze hold-up te kunnen berekenen voor het bepalen van de gemiddelde vloeistofverblijftijd en het drukverlies. De hold-up waarden voor 25 mm Raschigringen (keramisch) zijn uitgezet in figuur 3 •

Bij het ontwerp moet de keus gemaakt worden om met lucht of stoom te strippen. De kosten van het stripmedium lucht zijn verwaarloosbaar klein t.o.v. de kosten van stoom als stripmedium. Dus pas als het ontwerp met lucht een te grote kolom oplevert moet gedacht gaan worden aan een stoomstripper.

Het strippen met lucht biedt bovendien het voordeel dat geprobeerd kan worden om met een lagere temperatuur te werken. In grafiek 3 in

o bijlage ~ is te zien dat bij een temperatuur van ca. 70 C de hoeveelheid meegevoerde waterdamp naar de branders

stoomketel ruim onder de grens van 40 kg per uur blijft luchtdebiet tussen de 0 en 100 m~ per uur.

van bij een

2000 1000 8 00 6 00 4 00 2 00 00 Figuur 4 F. 1 ~ 1 D,m

t\

"

'X

" Berl zadels ~ keramisch ...

,

R.aschig

.

"

I

"

f -ringen ~taal

,

i'\.

"'

... '-'- '- '-... '\.. '\..

i""

"

"'-

I'"

'1\

~

~

1'\ .... ~

i'...

"-Pall ringen

"

,"

'\. (metaal) ~

1',

i'. ' i '

,

~ 8 10 20 30 40 60 80

nominale pakking element afmeting, mm

Pakkingsfactor als functie van het soort vullichaam en de pakkingsdiameter

o

I 11 I I • .8 À .

[fj?J~ [~f·

05

...

.... ~

o

.7

o.

6 5 ... 1'00.. ...

o

.

o

.

I. 0.3 0.2

o

.

1

o

0.01 ~ ~ ... ... ~ ... _{Ber! zadels}

...

~~

""

...

"

r--. r--.

_~~

_"

"-Raschig

ring~

_{ro-. ...} ...r--., _...

Pall ringen ... ...

I"r...,

... ~ ... ...

.... r--..I'-..

1 9'=

~. [~J2

I

Ug Pg

I

I

I

0.10

Figuur

5

Floodinggrens van losgestoete vullichamen

~~

"

... ... ... _I'-... ... lO

I

1

I

1

I

1 I

1

1 I

I

!

.

:

I

1 1

I

1

I

,

I

I

I

1

I

!

I

I

1 1

1

1

I

1

I

I

_8.2

I

'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

19 -Het ontwerp van een gepakte kolom

(l

it.'?»

1. Eerst moet een keuze gemaakt worden welk soort vullichaam men wil gebruiken en welke afmeting het meest geschikt lijkt. Aan de hand van grafiek ~ kan dan de pakkingsfactor afgelezen worden.

2.

De scheidingsfactor

S

wordt berekend uit de verhouding van de gas- en vloeistofstroom vermenigvuldigd met de verdelingscoefficient van de te verwijderen component.

3. Uit de verhouding van de vloeistof- en dampstroom kan men de flowparameter ~ bepalen. Aan de hand hiervan kan met behulp van grafiek S de floodinggrens afgelezen worden. Aan de hand van de flowparameter kan met grafiek

6

het percentage flooding bepaald worden.

4. Uit de floodinggrens en het percentage flooding kan de belastingsfactor ~ bepaald worden.

Met deze belasting sf actor kan de gassnelheid door de kolom uitgerekend worden volgens

5. Met de gassnelheid en het gasdebiet bekend, kan het oppervlak en de diameter van de kolom bepaald worden.

A

=

~".G

Uc;

6. Het aantal evenwichtstrappen N wordt bepaald met de formule van Kremser

r

5-1

t : 5"otl_ I (3)

7. De overall hoogte van een overdracht st rap , gebaseerd op de gasfase-weerstand is

100

I

I

I

I I I

I

I

I I1

I

I

0'0

van de floodina 'arens (tia.?)

~

-~ ~ ~Ioo" I,....--~

I---'"

~

9

Pall ringen,

~ I-""'" Lo- 10-~~

~~

1,..0-1,..00

Berlzadels

~

0

~ _~ ~~ _~ ". L JII

8

~ ~

V

. / ~~

_{Raschig ringen}

0

_{• ~}

l/

~

7

~

V

~

0

V

"

6

5 0

₁

2'

q>

=

~ -[!L]~

I

,U

g Pg

I

1

I

0.01

0.10

1.0

Fig~ , Stuwgrens van losgestorte vullichamen

*

HTUog/HTU g

1

...

"

"-

_i'..

"

0.8

"

0.6

-c

0.20

0.40

0.60

0.80

tOD

À/Àmax

. voor stuwingseffecten ~ ~

I

1

I

I

I

I

I

I

I

I

-

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

20

-Omdat de berekeningen die uitgevoerd zijn, onder het stuwpunt liggen mogen we volgende relaties aannemen:

en

(b)

Met Re(g)=

en Sc(g)=

(

8

)

De correctiefactor om de overall hoogte van een overdrachtstrap te kunnen bepalen is af te lezen in figuur 1 .

8. De hoogte van een theoretische evenwichtstrap wordt dan. berekend volgens

\-lE

IS '::

s-

\

9. De kolomhoogte wordt dan gegeven door de HETS vermenigvuldigd met het aantaloverdrachtstrappen. Voor het leidingwerk aan boven-en onderkant wordt twee maal eboven-en halve meter extra gerekboven-end.

10. De drukval volgt uit

hP (WÄ\)

= (\ _

3.'5 'hL

y3

~p (DROOG') ~p (DROOG) -040 F. F'l. H - ' p

waarbij h de hold-up is, berekend uit

(

ut

\

/

3

hL

=

\

.

'1<2.

\ d(

.

~

)

( 11 )

Aan de hand van de gewenste zuiveringsgraad kan deze berekening een aantal keer uitgevoerd worden. Het kolomvolume en dus de prijs van de pakking kan bepaald worden als functie van temperatuur en gasdebiet, rekening houdend met de maximaal toelaatbare massastroom waterdamp naar de branders.

Dit hele ontwerp is met lucht Berlzadels, Pallringen en

als stripmedium doorgerekend Raschigringen, allen met verschillende pakkingdiameters (25, 50 en 75 . mm). Een kolom 25-mm Raschig-ringen bleek het goedkoopst uit te komen.

Een stroomdiagram, programmalisting, bijbehorende symbolenlijst invoergegevens is te vinden in bijlage

6.

De resultaten weergegeven in bijlage

f .

voor drie met en zijn

I

i

l

I

I

I

I

I

I

I

i

l

I

I

1

I

I

I

21

-Experimenteel is gebleken dat de superficiele vloeistofsnelheid in de kolom minimaal 0.5 mm/s moet zijn om nog een goede

verdeling van de vloeistof te krijgen.

Dit betekent bij het geldende vloeistof debiet van 150 l/h dat het maximale oppervlak van de kolomdoorsnede bedraagt:

Amax=4.167E-5 m3/s=0.08334 m1 O.OO6S"m/s

Dus de maximale diameter bedraagt 0.33 m.

Bij een hoogte-diameterverhouding vier geldt dus voor het maximale volume 0.113 m3 •

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

~

22

-9. DISCUSSIE EN CONCLUSIE RESULTATEN GEPAKTE KOLOM

Uit de resultaten van de bellenkolom is gebleken dat het ammoniak veel moeilijker uit de afvalwaterstroom te verwijderen is dan het zwavelwaterstof. Dit betekent dat voor een zuivering van beide componenten tegelijkertijd het ammoniak de snelheidsbepalende factor is.

Op grond van deze conclusie, die rechtstreeks volgt uit het feit dat de verdelingscoefficient van ammoniak veel kleiner is dan die van zwavelwaterstof hebben we gekozen voor het doorekenen van een gepakte kolom waar alleen ammoniak uit gestript hoeft te worden, in de wetenschap dat het voor zwavelwaterstof een stuk beter zal gaan.

We hebben gekozen voor een ammoniakzuivering van 90% en veronderstellen dat het zwavelwaterstof voor meer dan de benodigde 97% gestript wordt. De motivering hiervoor is de volgende:

In een bellenkolom wordt met stoom van 100°C het H2S in 8.5 uur voor meer dan 97% gezuiverd, terwijl het NH3 in diezelfde tijd voor 81.4% verwijderd wordt. Als we kijken naar de verwijdering na een half uur (ongeveer de verblijf tijd in de gepakte kolom) zijn de verwijderingen resp. 57 en 6.8%. Dit is een verhouding van 8.4 •

Bij het doorrekenen van een bellenkolom waar bij 70°C met lucht gestript wordt, zijn de verwijderde fracties H2S en NH3 resp. 29 en 2.3%. Dit is een verhouding van 12.5 • Hieruit volgt dat na een korte tijd strippen het H2S veel meer uit het afvalwater gestript is dan het ammoniak. Dit komt bij 70°C meer tot uiting

°

dan bij 100 C.

Als we het strippen in de gepakte kolom ruwweg beschouwen als strippen in een korte tijd en we zorgen ervoor dat het NH3 voor 90% verwijderd is mogen we redelijkerwijs verwachten dat het .H2S veel verder gestript is en het verwijderingspercentage zeker meer dan de benodigde 97% is.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

1

1

23

-Uit grafiekl·2 en bijbehorende tabel7.2 blijkt dat bij 99% ammoniakzuivering er een kolom is die aan alle eisen voldoet, namelijk kolom 11.

Er moet echter opgemerkt worden dat bij procesvoering met deze kolom er volgens grafiek

gaat, namelijk 39 kg/ho

vrij veel waterdamp naar de branders Bij'90% ammoniak zijn meer kolommen die aan alle eisen voldoen (zie grafiek]3en bijbehorende tabel1~). De kolom die hierbij de laagste massa stroom water naar de branders stuurt is kolom 24 (19.5 kg/h), deze werkt bij een temperatuur van 75°C en gasdebiet van 50 m

3/

h • Een tweede keus is kolom 16,werkend bij een gas debiet van 60 m3/h en een temperatuur van 70°C. De hoeveelheid ,waterdamp die naar de branders gestuurd wordt bedraagt 17 kg/ho

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

24

-10. OVERALL MASSABALANS OVER DE STRIPPER

1. Ammoniak

! . * C . + ~ I · * Cl · ~ . *C . ~ I *CI·

'Iv,g,ln g,ln Tv, ,ln ,ln = 'fv,g, Ult g, Ult + 'fv, ,uit , Ult 60 * 0

+

0.180 * 176.48= 88 .. 33

_*

x + 0.1637* 17.648 Hieruit volgt dat CNH3,uit gelijk is aan 5.6gj m3 gas

2. Zwavelwaterstof

Het gebruik van dezelfde massa balans levert

60 * 0 + 0.180 * 111.76 = 88.33

_*

x

+

0.1637* 11.176 Hieruit volgt dat CH2S,uit gelijk is aan 7.1 gj m3 gas

De concentraties ammoniak en zwavelwaterstof in de gasfase liggen ruim onder de explosiegrenzen.zoals aangegeven in bijlage 9.

I

I

I

I

I

I

I

1

'

I

I

i

l

I

i

l

1 I

I

,

1

I

i

l

I

I

I

I

I

I

I

I

25

-Verklaring van de slechte werking van de bellenkolOm t.o.v. de gepakte kolom.

Het is gebleken dat de bellenkolom in tegenstelling tot de gepakte kolom in dit geval niet geschikt is als apparaat voor de zuivering van het condensaat. Dit kan verklaard worden door het feit dat in een gepakte kolom door de aanwezigheid van de pakking weinig tot geen wervels optreden, waardoor de gas- en vloeistofstroom in propstroom tegen elkaar in lopen. Dit is een ideale stroming voor scheidingsprocessen.

Een ander punt is het feit dat in de bellenkolom evenwichtstrap is terwijl bij de gepakte evenwichtstrappen beschouwd kunnen worden.

, , er maar een

.

1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

26

-11. BESCHRIJVING VAN HET NIEUWE PROCES

Het processchema van het voorstel tot nieuwe procesvoering is weergegeven in bijlage 8" .

De te koken veren worden met behulp van een transportband in een kookketel (Rl) geleid waarna ze door indirecte verhitting tot 140

~C batchgewijs gekookt worden. Na het beeindigen van de batch wordt

het verenmeel door middel van een transportschroef uit de ketel geleid, waarna het droogproces volgt.

De dampen die bij het kookproces vrijkomen gaan via leiding 4 naar cycloon 6. Bij het uitkomen van de cycloon gaan de gassen door leiding 4A naar de luchtgekoelde condensor Hll.

Het condensaat verlaat de condensor aan de onderkant in leiding 7 en komt aan de bovenkant het buffervat V12 in. Dit vat wordt met een verwarmingselement op een temperatuur van ca. 75· C gehouden.

De zich in het buffervat bevindende gassen :non-condensables)

worden met behulp van ventilator P14 via leiding 8 naar een biofilter geleid.

De condensaatafvoer vanuit het buffervat wordt via leiding 9 naar de stripper gevoerd. De afvoer wordt geregeld met een regelklep, gestuurd door een level-controller en gecontroleerd door een flowregelaar.

Aangezien leiding 9 geisoleerd is zal de temperatuur van condensaat bij het binnenkomen van de stripper nog ca.

bedragen. Via een zeefplaat wordt de vloeistof over het oppervlak van de kolom verdeeld.

In tegenstelde richting komt een luchtstroom met een debiet van ca. 80 m3/hr de kolom in. Deze lucht (inclusief de gestripte componenten) verlaat de kolom aan de bovenkant via leiding 11. Dit gasmengsel wordt met de brandstoftoevoer voor de oven gemengd en in de stoomketel verbrand. Het gezuiverde condensaat verlaat de stripper aan de onderkant via leiding 10. De afvoer wordt geregeld met een level-controller, die gekoppeld is aan de regelklep in leiding 10. Als het vloeistofniveau onder de "laag"-stand komt wordt deze klep gesloten en gaat pas open als het niveau boven de "hoog"-stand staat. Dit om een continu open/dicht van de klep te voorkomen.

De vloeistof kan uiteindelijk in een eenvoudige warmtewisselaar gekoeld worden tot 40°C, waarna het naar de riolering afgevoerd kan worden.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

27 -12. PROCES BEVEILIGING

Bij het uitvallen van de compressor C2A wordt drukmeter in leiding 3 een signaal gestuurd naar de K10 en K13. Klep K10 zal leiding 6 moeten afsluiten

via de kleppen en de stroom uit leiding 10 naar leiding 5 sturen. Tegelijkertijd moet klep K13 afgesloten worden.

De regelklep in leiding 10 houdt zijn normale functie, geregeld door de level controllers. De pomp P8 is verbonden met laatstgenoemde klep. In een alarmfase zal pomp P8 automatisch afslaan als de klep gesloten wordt. In het geval dat er nog vloeistof uit de kolom stroomt en de klep openstaat zal pomp P8 deze verpompen naar het buffervat V12. In het geval dat de compressor lang buiten bedrijf is kan het buffervat op temperatuur gehouden (of opgewarmd) worden met een temperatuurregelaar en een verwarmingselement.

Bij het wekelijks stoppen van het proces moet na het sluiten van de regelklep in leiding 9 nog ca. een uur lucht doorgeleid worden om het laatste restje condensaat ook gezuiverd te krijgen.

I

I

,

I

I

:

1

I

,

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

!

I

i

l

I

28 -13. KOSTENSPECIFICATIE

Hieronder volgt een lijst met aan te schaffen apparatuur en schatting van de bijbehorende prijzen.

4 regelkleppen in de vloeistofleiding a fl 1000,-1 regelklep in de luchtleiding a fl 2000,-2 meetflenzen + flowregelaars a fl 2500,-1 terugslagklep 1 drukmeter 2 levelcontrollers a fl 400,-1 buffervat van 500400,-1

1 kolom hoogte 1.26m , diameter 0.31m 2 zeefplaten a

f~50,-1 'vloeistofpomp, drukval 1 bar, capaciteit 200l/h 1 verwarmingselement (10 kW)

1 temperatuurregelaar met thermokoppel Raschigringen, kunststof, stortvolume 4501 Leidingwerk a f1 11

,-/m,

schatting lOOm Isolatiemateriaal Verbouwingskosten 4000,- 2000,- 5000,- 200,- 100,- 800,- 1000,- 50C,- 500,- 1500,- 3000,- 1000,- 400,- 1100,- 2000,- 1500,-schatting totale kosten

24600,-De compressor is niet in rekening gebracht aangezien deze in het bedrijf ter beschikking is.

Wanneer de apparatuur afgeschreven wordt over een termijn van vijf jaar, kan de kostenbesparing per jaar als volgt berekend worden: investeringen vervoerkosten (5 jaar) verschil (5 jaar) f l 25000,-fl 150000,-f l

125000,-Bij zuivering betekent dit een kostenbesparing per jaar van ca. f l 25000,- •

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

1

1

29 -14. SYMBOLENLIJST A :oppervlak fasengrensvlak C : concentratie

d :nominale afmeting vullichaam D :diffusiecoefficient

E :versnellingsfactor F :belastingsfactor Fp :pakkingfactor

g :versnelling van de zwaartekracht G :dampbelasting

hl :vloeistofinhoud H :vullinghoogte

HETP :hoogte eq. met een theoretische svhotel HDU :hoogte axiale mengeenheid

HTU :hoogte overdrachtstrap J :molenflux

k :stofoverdrachtscoefficient

K :overaal stofoverdrachtscoefficient K :verdelingscoefficient, molfractie ratio Ka :zuurconstante H2S Kb :baseconstante NH3 Kw :waterconstante L :vloeistofbelasting No :aantal overdrachtstrappen m2 mol/m3 m m2/s m/s*(kg/m3).5 1/m m/s2 mol/s m m m m mol/m2/s mis mis mol/m3 mol/m mol2/m6 mol/s

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

,

I

I

I

30

-NT :totale hoeveelheid stikstof in de vloeistof

4P : drukverlies Re :Reynoldsgetal S :strippingfactor Sc :Schmidtgetal

ST :totale hoeveelheid zwavel in de vloeistof t :tijd U :superficiele snelheid V : volume indices: L : vloeistof G :gas

CG)

:grensvlak o : ingang

*

:evenwichtssituatie mol/m3

N/m2

mol/m3 s mIs m3

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

31 -15. LITERATUURLIJST 1. Wesseling,J.A.,Scheidingsprocessen I,collegedictaat m-2, THD(1983) 2. Edwards,T.J.,Maurer,G.,Newman,J.,Prausnitz,J.M.,Vapor-Liquid Equilibria in Multicomponent Aqueous Solutions of Volatile Weak Electrolytes,Amer.Inst.Chem.Eng.,vol 24,no 6(1984)

3. Zuiderweg,F.J.,collegedictaat Fysische

scheidingsmethoden,Deel 11 apparaten,college m-6,THD(1980)

4. Heynen,J.J.,Kossen,N.W.F.,van 't Riet,K., bioproces-technologie, collegedictaat m-47,THD(1984)

5. Perry,R.H.,Chilton,C.H.,Chemical Engineer's Handbook,5th ed.,New York(1973)

6. Janssen,L.P.B.M.,Warmoeskerken,M.M.C.G.,fysisch technologisch bij-de -handboek,Delft(1982)

7. Diverse auteurs,Standard Methods for the examination of Water and Wastewater,15th ed,Washington(1980)

8. Coulson,J.M.,Richardson,J.F.,Chemical Engineering, 2nd ed., (1982)

9. De Loos,Th.W.,van der Kooi,H.J.,Dictaat Toegepaste Thermodynamica, THD(1984)

10. Rabald,E., Corrosion Guide 2nd ed., Amsterdam(1968)

11. Montfoort,A.G., De Chemische Fabriek, deel lA, THD(1984)

12. Meerman,P.G.,Lemkowitz,S.M"Bos,P., Collegedictaat Industriële Hygiëne THD(1984)

I

I

i

l

I

:

1

I

I

I

I

I

I

I

I

:

1

I

:

1

1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

32

-13. van dm Bleek,C.M. ,Gerritsen,A.W., Basic Reactor Engineering Problems on your computer, DUM(1984)

14. Hoogendoorn,G.C.,gelijktijdige desorptie van zwavelwaterstof en ammoniak uit afvalwater,I2-Procestechnologie,no5,mei, (1985)

---1.1

Cy2 2 " 'JOEDI~G: tJATIE KIPPE'IEREt-J

(î)

~

•

RI " V

V

V-t--~ BEWERKTE I<IPPE"ERE~ RI REACTOR Cy2 CYCLOON STOOM H3 lUOITGEKOELDE

CONDENSOR

V4 \JER7AMElVAT CONDHJSAA,

Pij VENTILATOR P6 'JENTllATOR

HUID16E SITUATIE

H3 V4

MENGGA

S

PI) P6 NON·CONOEM5A~LES NAAR ~IOFllTER NAAR BRI\NDE.R. # STOOMKETEL

!

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

2.1

BIJLAGE 2 milieueisen die gesteld worden aan afvalwater

l.temperatuur 2.pH

3.chloor Cl

4.in petroleum extra-heerbare organische stoffen

lo-S.sulfaat SO~

6.uitgebreide lijst van zware metaal-ionen ( 40°C 6.S-9 (200 mg/l {200 mg/l (300 mg/l

Aanzien er geen waarden gegeven worden voor zwavelwaterstof werd de maximaal toelaatbare concentratie H~S berekend uit de maximaal

1.-toelaatbare concentratie S04 volgens:

( 1 )

1.-Via (1) volgt dat uit de reduktie van 30Omg/1 S04 maximaal 106.3 mg/l HlS kan ontstaan, dit is 0.0031 mol/I. Omgekeerd kan uit

1.-0.003 mol HlS dus maximaal 300mg SO~ ontstaan via oxidatie van HlS.

De maximaal toelaatbare concentratie zwavelwaterstof kan men dus vaststellen op 0,003 mol/l dit is 3 mol/m3.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

3.1

BEPALING VAN DE MILIEUHEFFING

De bepaling van de milieuheffing gechiedt op basis van het CZV-(chemisch zuurstof verbruik)- en het totale Kjeldahl stikstofgetal. Onder het CZV wordt verstaan de hoeveelheid 0 verbruikt bij de oxidatie van het materiaal in het afvalwater door twee uur te koken met bichromaat-zwavelzuur. Het Kjeldahl stikstof omvat ammonia, organisch gebonden stikstof maar geen nitriet en nitraat. Voor de exacte bepaling van deze grootheden lit.(7).

Substitutie in de onderstaande formule levert de waarde van de heffing.

H=(N-Kjeldahl*4.57+CZV)*V/136 waarin: H :milieuheffing

N-K:het totale Kjeldahl stikstof CZV:chem.zuurstof verbruik

V :volume van het te lozen water

(fl. /inw .eq.) (mg/l)

(mg/l) (m)

Ter illustratie staan in de hierna volgende tabel de gemeten waarden betreffende CZV en Kjel.stikstof. voor de maanden februari t/m

november 1985.

Tabel CZV en Kjeldahl stikstof waarden voor het condensaat.

CZV Kjel.-N mg/l mg/l 8370 1730 5790 886 4920 848 6500 1020 7280 1185 8500 1210 7410 1120 9720 1470 8390 1250 6300 961 gem: 7268 1168 --'_.

__

.. _ ... _ ._--- _._-.--

--I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

~_...-'

I

I

4.1

-BIJLAGE 4 HET PROGRAMMA "BELLENKOLOM"

Het programma "BELLENKOLOM" berekent de ammoniak-en

zwavelwaterstof-concentratie als functie van de tijd in de vloeistof fase van een

bellenkolom. Het programma is opgezet volgens lit.(2) en lit.( 4). Hierna volgt een structuurdiagram, lijst met verklaring van de gebruikte symbolen en een programma listing.

STRUCTUURDIAGRAM

drukaf titel

voer data in

druk kop van de tabel af

bereken de waterconstante lit.(2)

bereken superficiele gassnelheid

bereken vloeistofcirculatie snelheid lit.(4)

bereken de gasholdup

bereken het gasvolume

bereken het volume van de bellenkolom

bereken de hoogte van de bellenkolom

bereken het oppervlak van het fasen-grensvlak

bereken de Henrycoefficient van ammoniak lit.(2)

I

:

1

I

~

I

I

:

1

I

1

1

I

i

l

i

1

I

I

:

1

I

1

I

I

4.2

-breken de totale stofoverdrachtscoefficient van ammoniak lit.(I)

I

bereken de base constante van ammoniak lit.(2)

I

bereken de Henrycoefficient van zwavelwaterstof lit.(2)

I

bereken de verdelingscoefficient van zwavelwaterstof lit.(V

I

bereken de totale stofoverdrachtscoefficient van zwavelwaterstof lito

bereken de zuurconstante van zwavelwaterstof lit.(2)

bereken de constante term in de differentiaalvergelijking (6)

, ,

, ,

,

,

, ,

....

~

, ,

( 16) ~.

initialiseer en bepaal wanneer resultaten afgedrukt moeten worden

j

I

herhaal totdat int. tijd bereikt is

I

roep procedure Runge-Kutta aan

moeten er resultaten fgedrukt worden ?

y

_N

druk conc. NH3 en H2S af einqe programma

!

I

:

I

1

'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

,

I

I

I

I

1

1

4.3

-Hieronder volgt een lijst met symbolen die gebruikt worden in het programma "BEIl.ENKOLOM".

AG B

:totale uitwisselingsoppervlak gas-vloeistoffase :aantal stappen dat geprint moet worden

C :variabele die bepaald wanneer resultaten afgedrukt moeten worden

D :tijd waarbij afgedrukt wordt

E FV

:volume fractie gas :gasdebiet H :integratie stapgrootte RH HN HR :Henrycoefficient zwavelwaterstof

,

,

ammoniak :hoogte bellenkolom I : teller :zuurconstante zwavelwaterstof " ammoniak !verdelingscoefficient zwavelwaterstof

, ,

ammoniak (-

)

(m

3

_/s)

(Kg.atm/mol)

, ,

(m ) (mol/kg) (mol/kg) (-) (-) KA

KB

KR

KN

KW MH MN 1. .1 :waterconstante (mol/kg ) p Q QQ R RO S T TE TK U VG

:totale stofoverdrachtscoefficient van zwavelwaterstof (m/s)

, ,

,

,

" ammoniak

, ,

:tussenvariabele Runge-Kutta procedure

:beginconcentratie zwavelwaterstof in de vloeistof fase (mol/m~) :constante in de differentiaalvergelijking

:tussenvariabele Runge-Kutte procedure :dichtheid vloeistoffase

:beginconcentratie ammoniak in de vloeistoffase :tussenvariabele in R-K procedure : temperatuur :diameter bellenkolom :tijdsduur stripproces :volume gasfase (kg/m~) (mol/m'l) (K) (m) (s) (m1₎

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

VL VR VS VT W WW X y Z

4.4

-:vloeistof circulatie snelheid

(mis)

:volume stripkolom (m'l )

:superficiele gassnelheid

(mis)

:volume vloeistoffase (m'J)

: begintijd

(8)

: constante in de differentiaalvergelijking

: concentratie ammoniak (mol/m'l)

,

,

zwavelwaterstof (mol/m'l)

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

4.5

-DATA VOOR HET PROGRAMMA "BELLENKOLOM"

Hieronder volgt een lijst met data waarmee het programma "BELLENKOLOM" rekent.

Als concentratie van ammoniak en zwavelwaterstof werd de dubbele

hoeveelheid genomen van de waarden die gevonden werden bij de analyse van de monsters. (zie blz. ).Er werd gekozen voor een temperatuur van 100·C hetgeen de hoogst mogelijk bereikbare temperatuur is bij atmosferische druk.

beginconcentratie ammoniak

" zwavelwaterstof stapgrootte Runge-Kutta procedure aanvangtijdstip stripproces

eindtijd stripproces gasdebiet

temperatuur

dichtheid van de vloeistof diameter stripkolom

volume vloeistof (dagopbrengst) diameter gasbel stijgsnelheid gasbel S Q H W

u

FV TE RO TK VT

stofoverdrachtscoefficient gas fase voor NH3 en H2S kg stofoverdrachtscoefficient vloeistof fase NH3 en H2S kl

176.48 111. 78 1

o

(mol/m" ) (mol/m'l) (s) (s) 9000 (s) 0.028 (m"ls) 373.15 (K) 958.37 (kg/m~) 1.32 (m) 3.6 (m':\) 0.01 (m) 0.25

(mIs)

0.03

(mIs)

6E-4

(mIs)

'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

PROGRAMMA BELLENKOLOM

- 4.6

-10 PRINT"PROGRAMMA BELLEN KOLOM"

20 REM ***INVOER VAN DE DATA***

30 READS,Q,H,W,U,B,FV,TE,RO,TK,VT

40 PRINT"TIJD(S) (NH3)

(H2S) "

50 REM ***BEREKENING VAN DE CONSTANTEN***

60 KW=EXP(-13445.9/TE-22.4773*LOG(TE)+1 40.932)*ROf2

70 VS=FV/(n/4*TK2)

80 VL=.9*(9.81*TK*VS)1(1/3)

90 E=VS/(.25+VL)

100 VG=E*VT/(l-E)

110 VR=VG+VT

120 HR=VR/(n/4*TK2)

130 AG=6*FV*HR/.01/.25

140 HN=EXP(

-157.

552/TE+28. 1001 *LOG(TE)-. 049227*TE

;

-149. 006)

150 KN=HN*101325/RO/8.314/TE

160 MN=(1/3E-2+KN/6E-4)t-1

170 KB=EXP(-3335.7/TE+1.4971*LOG(TE)-.0370566*TE+2.76)*RO

180 HH=EXP(-13236.8/TE-55.0551*LOG(TE)+.0595651*TE+342.595)

190 KH=HH*101325/RO/8.314/TE

200 MH=(1/3E-2+KH/6E-4)t-1

210 KA=EXP(-12995.4/TE-33.5471*LOG(TE)+218.599)*RO

220 REM***CONSTANTEN IN DE DIFFERENTIAALVERGELIJKINGEN***"

230 QQ=-KN*MN*AG/VT*(l-MN*AG/(MN*AG+FV))

240 WW=-KH*MH*AG/VT*(l-MH*AG/(MH*AG+FV))*KW/KA/KB

250 X=S:Y=Q:Z=W:D=(U-W)/B:C=W+D

260 FOR 1=1 TO (U-W)/H

270 GOSUB 330

280 IF C-(W+I*H)(lE-10 THEN 300

290 GOTO 310

300 PRINTC;X;Y:C=C+D

310 NEXT I

320 END

330 P=X:R=Y:T=Z

340 REM***RUNGE-KUTTA PROCEDURE***

350 GOSUB430:A(1)=F:A(2)=G:X=P+H/2*A(1):Y=R+H/2*A(2):Z=T+H/2

360 GOSUB430:A(3)=F:A(4)=G:X=P+H/2*A(3):Y=R+H/2*A(4):Z=T+H/2

370 GOSUB430:A(5)=F:A(6)=G:X=P+H*A(5):Y=R+H*A(6):Z=T+H

380 GOSUB430:A(7)=F:A(8)=G

390 X=P+H/6*(A(1)+2*A(3)+2*A(5)+A(7))

.

400 Y=R+H/6*(A(2)+2*A(4)+2*A(6)+A(8»

410 RETURN

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

4.7

-420 REM***DIFFERENTIAALVERGELIJKINGEN***

430 F=QQ*(X-Y)

440 G=WW*Y*Y/(X-Y)

450 RE'TIJRN

460 REM***DATA***

470 DATA176.4,111.78,1,0,9000,900,.028,373.15,958.37,1.32,3.6

I

5.1

!

I

Bijlage 5 I I I

'

I

Tabel 5.1 Concentratieprofiel van ammoniak en zwavelwaterstof in een bellenkolom

I

met stoom als stripmedium.

I

Tijd NH3 H2S

(min.) (mol/m3 ) (mol/m'S )

I

---0 176.4 111.8

I

10 173.1 73.4 20 168.9 57.6

I

30 40 164.4 159.8 48.0 41.3

I

60 50 155.1 150.4 36.3 32.4 70 145.8 29.2

I

80 141.3 26.5 90 136.8 24.3

I

100 132.4 22.3 110 128.1 20.6

I

120 130 123.9 119.9 19.2 17.9

I

140 150 115.9 112.1 16.7 15.6 160 108.3 14.7

I

170 104.7 13.8 180 101.2 13.0

I

190 97.7 12.3 200 94.4 11.6

I

210 220 91.2 88.1 11.0 10.4

'

I

300 500 66.6 32.7 7.0 2.9

I

'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

5.2

Grafiek 5.' CONCENTRATIEPROFIEL VAN AMMONIA]( EN ZWAVELWATERSTOF IN EEN BELLENKOLOM MET STOOM ALS STRIPMEDIUM

rl'')ll C.ONCENTAAlIE ï~~ I:.NH3) EN [H2S1 16 I " ~ I 20 _ ~. I

~

" S : • • • I • • • • c~ _ _ _ _ _ _ -<!) 60 120 180 300 T~D (MIN.)

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

6.1

-STRUCTUURDIAGRAM GEPAKTE KOLOM

I

Lees data in

I Bereken de Henrycoefficient

Bereken de verdelingscoefficient tussen gas- en vloeistoffase

J

Bereken de scheiding sf actor

Bereken de pakkingsfactor

J

Bereken de flowparameter

Bereken de flowgroep

Bereken de floodinggrens

Bereken het percentage flood

Bereken de maximale gassnelheid

~ f

Bereken de diameter van de kolom

I

Bereken de hoogte van een overdrachtstrap gebaseerd op de vloeistoffase

Bereken het Reynolds- en Schmidtgetal

Bereken de hoogte van een overdrachtstrap gebaseerd op de gasfase

Bereken de overall-hoogte van een overdrachts-trap, gebaseerd op de gasfase weerstand

1

I

_6.2

-I

I

Bereken het theoretisch aantaloverdrachtstrappen

I

Bereken de hoogte van de kolom

I

•

I

jÄ

I

I

NEE Verander de gassnelheid

I

I

1

I

Druk de resultaten af

I

I

I

I

I

I

I

I

'

I

I

I