Verwijdering van ammoniak uit een luchtstroom met behulp van het SHARON-proces

(1)

,t!tti

T

U Delft

Fabrieksvoorontwerp

Vakgroep Chemische Procestechnologie

Onderwerp

Verwijdering van ammoniak uit een luchtstroom

met behulp van het SHARON-proces

Auteurs

L.M.

Bijl

S.GJ. Vankan

M.O.

Wolff

Keywords

Telefoon

015.2614363

015.2855449

015.2142371

Ammoniak, nitrificatie, denitrificatie, SHARON, waterzuivering, luchtzuivering

Datum opdracht

Datum verslag

11 januari 1996

16 april 1996

Faculteit der Scheikundige Technologie en der Materiaalkunde

\

(2)

- - - -

---

---Samenvatting

Samenvatting

In dit fabrieksvoorontwerp is een proces ontworpen voor het terugbrengen van de concentratie ammoniak in een afval-luchtstroom (tot 350000 m3_{fh) van 300 ppm naar} maximaal 45 ppm bij Rutte B.V.in Halfweg, composteerders van zuiveringsslib en GFT-afval. Hierbij wordt de ammoniak verwijderd door de luchtstroom te wassen met water. Het water wordt vervolgens op een biologische wijze gezuiverd, zodanig dat het hergebruikt kan worden voor het wassen, het effluent wordt verder verwerkt in een bestaande

waterzuiveringsinstallatie, die maximaal 15 m3fh effluent kan verwerken. De zuivering zal uitgevoerd worden met het SHARON-proces: Single reactor system for High activity Ammonia Removal Over Nitrite.

Op basis van het gemaakte ontwerp kan geconcludeerd worden dat het proces goed technisch haalbaar is. Dimensie en procescondities vallen binnen gebruikelijke grootten voor milieu-biotechnologische processen. De kosten van het proces met name 4,7 gulden per kilogram stikstof bij volledige bezetting is concurerrend met andere biologische zuiveringsprocessen (F! 5 a 10 /kg N). In ons geval, met onze uitgangspunten, ligt de keus tussen het sluiten van de vestiging van Rutte B.V. in Halfweg of het bouwen van een biologische ammoniak-verwijdering die aan de eerder genoemde specificaties moet voldoen. Naar onze mening zal de bouw van ons proces in dit geval dan ook economisch zeer haalbaar zijn.

Een aanzienlijke kostenbesparing zou kunnen worden bereikt als het zuiveringsproces kan worden gekoppeld aan de grootte van de ammoniakproduktie in de composteringshallen, die niet altijd constant is. Ook een betere verspreiding van de slibverwerking (voorkomen van pieken in aanvoer) zou de benodigde maximale capaciteit en dus de kosten verlagen. Andere mogelijkheden om de kosten van het proces te verlagen zijn:

• het gebruik van één grote wasser in plaats van drie kleine;

• voor de wateraanvoer aan het proces zou regenwater (uit reeds bestaande regenwater opvangvaten) in plaats van leidingwater gebruikt kunnen worden;

• als C-bron zou GFf -percolaat in plaats van methanol gebruikt kunnen worden (of minder zuiver methanol nemen).

Door meer onderzoek naar: • kinetische constanten;

• het wassen van ammoniak bij verschillende pH' s en • kolA (bij deze reactor)

zouden ontwerp-veiligheidsmarges (overdimensionering) kunnen worden verkleind, wat het proces goedkoper zou maken.

Een laatste aanbeveling is dat voor de simulatie van elektrolieten ChemCAD beter niet gebruikt kan worden omdat het niet uitermate geschikt is.

(3)

ag ~2 ~aart 1996

t

'

;

eedirecteuren

· Rutte

:

èycling aangehouden

Directie afvalbedrijf Rutte

opgepakt voor milieudelicten

HAARLEM (ANP) - Justitie heeft de directie van het afvalverwerkingsbe-drijf Rutte Recycling in Halfweg aan-gehouden voor een reeks milieudelic-ten. Rutte, uitgegroeid tot een mono-polist in de verwerking van rioolslib, zou op diverse plaatsen vervuild slib illegaal hebben gestort.

dat het bedrijf steekpenningen ZOl

hebben betaald aan ambtenaren var de provincie Noord-Holland. De be-schuldigingen staan in het rappon van de commissie-Van Traa naar dE

. opsporingsmethoden.

In zijn bijlage bij het rapport Van Traa schetste de Twentse criminoloog G.

Bruinsma het afvalverwerkingsbedriji als een typisch familiebedrijf dat uit

-groeide tot een monopolist. Het ver· wierf daardoor een dusdanige positie dat controle van de overheid nauwe-lijks mogelijk was. Het bedrijf kon daardoor elke prijs vragen en overhe-den betaaloverhe-den die ook. aldus prof. Bruinsma.

Van een onzer verslaggevers

• > • HALFWEG, vrijdag

twee d1rect~uren van het afvalverwerkingsbedrijf Rutte ding in Halfweg zijn aangehouden wegens milieudelicten

Vorig jaar deed justitie al invallen bij de Rutte-vestigingen in Halfweg, Amersfoort en Brunssum en in de woningen van de twee directeuren . Justitie beschuldigt de directeuren van oplichting en lidmaatschap van een criminele organisatie.

. lsheid in geschrifte. utte .Recyling wordt er-verdacht gedurende een

jaren vervuild slib te en vervoerd en illegaal op rse pl~tsen te hebben

ge-," ,'aldus de persofficier

·ustitie.C. Hemmes-Boen-stitie beschuldigt' de twee ns van oplichting en

lid-chap van een criminele nisatie die Zich bezighield het storten van vervuilde d. bWangsqmmen moes-het b~jf"in het gareel.

en, maar dat bleek niet te en. ~ zou het bedrijf

on-eer op illegale V{Ïjze met Tvund slib naar Oekraïne en' afgèyoerd~ .. :

~ ·R~curni: werd' ook

~cht.'jli':l"én1~ steekpen-en te h~l'>ben betaald aan

èriafénvim de proVincie -Hollàild. Dit naar

aan-:

'van

hèt rapport van de

.' ie-VaI). Traa over op-'ngsm"ethodenvan de po-De 'bescbrijying van een met een fanilliebedrijf in apport zou slaan op Rutte ycing.

è persofficier ontkent echo

iat de aanhouding van de ;e-top iets te maken heeft het betalen van

steekpen-·en. "De aanhouding staat i niet mee in verband", al-Hemmes-Boender;

et "familiebedrijf Rutte is'

..

"'!.

. in dertig jaar tijd uitgegroeid tot eE!n monopolist die de hele afvalketen van rioolslib heerste. Justitie had het be-drijf in Halfweg, onder de rook van Amsterdam, algerui-.me tijd op de korrel.

Onlangs nog verschenen berichten

..

.• __ ... LvÇU cU aangeKonolga l\"",,",u v . ' " ' . _ .... b ... ~ _ lant king iDer-) dit leIen )ere-

ver-met schadeclaims te zullen komen, chard Homburg. "Als ze Dover vertelt hun Amerikaanse advocaat . 'Trustco voor de prijs hebben

ver- iDoe- ver-

;che-5 per

Top bedrijf Rutte

aangehouden

p de HAARLEM, 22 MAART. De top' d, de van het afvalverwerkingsbedrijf

l van Rutte Recycling in HaIfw.eg is aan-bun- gehouden wegens milieudelicten oon" ; en valsheid in geschrifte. Dat heeft traks persofficier van justitie ,

Q-Hem-bin- mes-Boender in Haarlem donder-ver- dag meegedeeld.

n op- Op 12 maart werd aI een direc-klant tielid aangehouden. Detweede di-kwa- recteur werd dinsdag gearresteerd. oereid Justitie beschuldigt de twee ook lbeve-ns uit-19 wat t grote grote n wij-it dat n als t van elen . 'ame eren !ten lop en

van oplichting en lidmaatschap van een criminele organisatie die zich bezighield met het storten van vervuilde grond.

Rutte Recyling wordt ervan ver-dacht gedurende een aantal jaren vervuild slib te hebben vervoerd en dat illegaal te hebben gestort op di-verse plaatsen, aldus de persoffi-cier.

Vorige maand verschenen be-richten in de pers dat het bedrijf ja-renlang steekpenningen zou heb-ben betaald aan ambtenaren van de provincie Noord-Holland. Dit naar aanleiding van het rapport van de commissie van Traa naar

opsporingsmethoden van de poli-tie. De beschrijving van een zaak

. met een familiebedrijf in het ~ port zou slaan op Rutte RecJycing. De aanhouding van de Rutte-top heeft niets te maken met het beta-len van steekpenningen, aldus persofficier Hemmes-Boender.

Het familiebedrijf Rutte is in dertig jaar tijd uitgegroeid tot een monopolist die de hele afvalketen van rioolslib beheerste. Justitie had het bedrijf in Halfweg, vla1cbij Am-sterdam, aI geruime tijd op de kor-rel. Vorig jaar januari deed justitie invallen bij Rutte Recycling in Halfweg, Amersfoort en Brunssum en in twee woningen van de twee directeuren in Zaandam en Hoofd-dorp.

In 1994 kreeg Rutte 36 keer con-troleurs van justitie over de vloer, en in 1995 gebeurde dat 25 keer, wat leidde tot het strafrechtelijk onderzoek. Het openbaar ministe-rie verdenkt het bedrijf al geruime tijd van overtreding van de milieu-wetten en van valsheid in

geschrif-te. (ANP) willen ren, zo

-F

"

ti woo4' unI 'dl1Stl ftDl COI1! lOOf boo del meI kun I odi do< b: gr( SP' op d.a ge di< de ~ te

-I

•

(4)

Inhoudsovgave

Inhoudsopgave

1. Inleiding

1.1 2. De uitgangspunten van het ontwerp

2.1

2.1 Externe specificaties 2.1

2.2 Keuze procesroute 2.2

2.3 Kinetiek en stoichiometrie 2.3

2.4 Gemaakte aannames bij het ontwerp 2.8

3. Keuze van de processtructuur

3.1

3.1 Motivering processtructuur 3.1

3.2 Fysisch-chemische informatie 3.3

3.3 Processchema 3.6

4. Ontwerp en berekening van de apparatuur

4.1

4.1 Ontwerp van de wasser 4.1

4.2 Ontwerp van de SHARON-reactor 4.3

4.3 Ontwerp van de warmtewisselaar 4.6

4.4 Ontwerp van de pompen en compressoren 4.9

5. Massa- en warmtebalans

5.1 6. Overzicht specificatie apparatuur

6.1

6.1 Apparatenlijst voor reactoren, kolommen en vaten 6.1

6.2 Specificatieformulier torens 6.2

6.3 Apparatenlijst voor warmtewisselaars en fornuizen 6.4 6.4 Apparatenlijst voor pompen, blowers en compressoren 6.5

7. Procesregeling

7.1

7.1 De wassers 7.1 7.2 De SHARON-tank 7.2 7.3 Procesregeling t.b.v. procesveiligheid 7.3

8. Procesveiligheid

8.1

8.1 Basisfactoren 8.1

8.2 Hazard and Operability Study 8.2

9. Kosten

9.1

(5)

10. Conclusies en aanbevelingen

11. Symbolenlijst

12. Literatuuroverzicht

13. Bijlagen

I - Ontwerp van de apparatuur A - Wasser B - SHARON-reactor C - Warmtewisselaar D - Pompen en compressoren

10.1

11.1

12.1

(6)

Lucht uit

Leidingwater FA Buitenlucht

T1, 3, 5 WASTORENS

P2, 4, 6 POMPEN

V7

METHANOL VOORRAAD

PB

POMP

R9

SHARON REAKTOR

C10

COMPRESSOR

methanol

Erse -'---....

~---~I~---~

@

FLOW CON TROLLER

0 TEMPERATURE CONTR

(7)

~

~-l---~---)

o

---,

I o 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 R9 I I I _____________ ..1 Koelwater retour

~----~~~---.~

PROCESSCHEMA VOOR DE ZUIVERING VAN LUCHT

MET BEHULP VAN EEN SHARON PROCES

L.M. Bijl

S.G.J. Vankan M.O. Wolff

Fabrieksvooron twerp No. 3163 April 1996

(8)

1. Inleiding

1. Inleiding

Rutte B.V. is een bedrijf in Halfweg, Noord-Holland dat zich bezighoudt met het

composteren van zuiveringsslib en het Groente-, Fruit- en Tuinafval (GFT). Per jaar wordt ongeveer 100.000 ton zuiveringsslib en 60.000 ton GFT gecomposteerd. Het zuiveringsslib is afkomstig van boven het Noordzee-kanaal, maar vanaf april 1996 komt het slib uit de

provincie Brabant. Het GFT -afval is afkomstig van de gemeenten Amsterdam, Haarlem, Bloemendaal, Zandvoort, Heemstede en Ouderkerk a/d Ijssel. Het verschil in samenstelling tussen de verschillende soorten slib en GFT -afval heeft geen invloed op de procesvoering. Rutte B.V. bevindt zich op een industrieterrein bij Halfweg, de dichtstbij staande huizen bevinden zich op een afstand van ongeveer 80 meter. De eerste woonwijk is de

Waardepolder, op een afstand van ongeveer 1.5 kilometer.

De compostering geschiedt in fabriekshallen, op bedden die van onderaf geforceerd belucht worden. De uit het bed tredende lucht wordt gedeeltelijk teruggevoerd voor de beluchting en gedeeltelijk afgezogen. Het afzuigen van de lucht zorgt voor de afvoer van o.a. de

vrijkomende, warmte, waterdamp (H₂0), koolstofdioxide (C0₂₎en ammoniak (NH3). De

afgezogen lucht wordt gezuiverd met behulp van biofilters. De biofilters zijn bedden van hout waardoor de lucht gevoerd wordt.

De geuremissie, gemeten aan de schoorsteen, is echter hoger dan is toegestaan volgens de vergunning. Het feit dat de biofilters niet goed op geur werken wordt waarschijnlijk

veroorzaakt door de te hoge ammoniakconcentraties (NH3) die in de lucht aanwezig zijn.Om de werking van de biofilters te verbeteren zou de concentratie NH3 in de te behandelen lucht minimaal teruggevoerd moeten worden van 300 ppm naar 45 ppm. Hierbij moet rekening gehouden worden met het feit dat Rutte B.V. een milieu-technisch bedrijf is en daardoor geen vergunning krijgt voor het opslaan en gebruik van grote hoeveelheden (aggresieve)

chemicaliën.

De opdracht kan als volgt omschreven worden:

Het terugbrengen van de concentratie ammoniak in een luchtstroom van 300 ppm naar maximaal 45 ppm. De ammoniak wordt verwijderd door de luchtstroom te wassen met water. Het water dient vervolgens op een biologische wijze gezuiverd te worden, zodanig dat het hergebruikt kan worden voor het wassen en dat de spuistroom aangesloten kan worden op een bestaande waterzuiveringsinstallatie, die maximaal 15 m3!h effluent kan verwerken. De

zuivering zal uitgevoerd worden met het SHARON-proces: Single reactor systemfor High activity Ammonia Removal Over Nitrite.

(9)

2. Uitgangspunten van het ontwerp

2.1 Externe specificaties

De luchtstroom die gezuiverd moet worden, heeft een maximaal debiet van 350.000 m3_{/h. De}

temperatuur is 40°C. De druk is 1 bara. De samenstelling van deze luchtstroom is weergegeven in tabel 2. 1 .

T,bl21 a e -S amenste U' mg van e vervul e uc t d ïd l h massa% kg/h stikstof N₂ 72.56 319646 zuurstof O₂ 22.24 97953 waterdamp H₂0 4.31 18969 koolstofdioxide CO2 0.88 3858 ammoniak NB, 0.018 80 totaal 100 440506

De lucht mag, na het wassen met water, maximaal nog 45 ppm ammoniak bevatten. De spui van het waswater naar de bestaande afvalwaterzuivering mag maximaal 15 m3fhr zijn.

Als algemeen uitgangspunt geldt dat het gebruik van grondstoffen en energie zoveel mogelijk beperkt dient te worden. Dit geldt met name voor de chemicalien omdat Rutte B.V. als milieu-technisch bedrijf geen vergunningen krijgt voor het opslaan en gebruik van grote hoeveelheden (aggresieve) chemicaliën.

Het zuiveren van de lucht dient op continue basis te geschieden. Eventuele uitval van het proces heeft een (tijdelijke) stankoverlast tot gevolg.

Op de locatie zijn de volgende utilities aanwezig: • electriciteit: 220 V en 380 V wisselstroom; • proceslucht (samenstelling: tabel 2.1); • drinkwater, p

=

3 bara, T

=

20°C; • koelwater, (uit de ringvaart)

(10)

2. Uitgangspunten van het ontwerp

2.2 Keuze procesroute

Het ammoniak wordt allereerst uit de lucht gewassen met water. Voor een biologische procesvoering is het gewenst dat het zich in een waterig medium bevindt. Het ammonium

(NH/ (aq.» moet nu, met behulp van micro-organismen, omgezet worden tot het

onschadelijke stikstofgas (N₂(g». Deze reactie verloopt minstens in twee stappen:

(Ammonium) NH/ => (Nitriet) N0₂- => DENITRIFICATIE (Nitriet) (Stikstofgas ) NITRIFICATIE

Eventueel kan het nitriet dooroxideren naar nitraat, wat verder omgezet wordt naar

stikstofgas: (Nitriet) (Nitraat)

(Nitraat)

(Stikstofgas) DENITRICATIE

Er zijn twee soorten bacteriën betrokken bij de nitrificatie: ammoniumoxydeerders en

nitrietoxydeerders. Van de ammoniumoxideerders is Nitrosomonas europaea de meest

bestudeerde soort, voor de nitrietoxideerders is dit Nitrobacter Winogradskyo. De denitrificatie wordt verzorgd door een breed scala aan heterotrofe bacterien die onder anoxische condities nitriet en nitraat omzetten in stikstofgas.

(11)

2.3 Kinetiek en stoichiometrie

2.3.1 Biologische reacties

De biologische reactiesnelheid wordt gegeven door:

waarbij: rs =

!l

Cx =

Ysx

De yield wordt gegeven door:

waarbij: _Ysx = rx

=

rs reactiesnelheid specifieke groeisnelheid concentratie biomassa yield yield groei snelheid substraatconsumptie [kmol/m3.s] [1/s] [kmol/m3 ] [kmol/kmol] kmol biomassa/m3.s kmol substraatlm3.s

Er zijn vijf biologische reacties in ons systeem te onderscheiden: ammoniumoxydatie, nitrietoxydatie, aërobe groei op methanol, denitrificatie van nitriet en denitrificatie van nitraat. De laatste twee reacties vinden plaats bij anaërobe omstandigheden, de eerste drie bij

aërobe omstandigheden. Voor biomassa wordt de samenstelling CHl.sNo.200.5 genomen.

• Ammoniumoxydatie

1 NH/ + 1.3866 O₂

+

1.9832 HC03-=

~GrOl

=

-238 kj/mol NH/

~HrOl

=

-185 kj/mol NH/

(12)

N02-2. Uitgangspunten van het ontwerp

waarbij:

₌

affiniteitsconstante i inhibitieconstante

De waarden van de parameters zijn gegeven in tabel 2.2. Tabel 2.2 -Parameters ammoniumoxidatie

Parameter Waarde Eenheid

Y_NXamm

0.064 mol X/mol NH4 +

~max amm 2.43.10"5 lis

0.0239 CHl.sN0200.5 C HNO,_ nUr X nitr ( °2 ' ) r "=--*~max* * -N02 nUr C + K ' C + K Y N,X 02 02.nar HN02 HN02

(13)

Tabel 2.3 -Parameters nitrietoxidatie

Parameter Waarde Eenheid Referentie

YN•X nitr 0.017 mol Xlmol N02" lit. 1

/lmax nitr 1.22.10"5 l/s lit. 1

Ko2.nitr 3.4.10"2 mol/m3 lit. 1

K

HNm 1.9.10"2 mol/m3 lit. 2

• Denitrificatie van nitriet

-408 kj/mol NH₄+ den! C C den!

e

X

den! ( NO; C H p H ) r = - -*/l * * -NO" den! max C +K C +K 2 Y _N._X NO " ₂ NO " ₂ CH OH ₃ CH OH ₃

De waarden van de parameters zijn gegeven in tabel 2.4.

Tabel 2.4 - Parameters denitrificatie van nitriet

YN.X denl 0.23 mol X/mol N02" /lmax denl 1.04.10"5 l/s KNo2" 8.5.10"3 mol/m 3 KcH'10Hden 0.52 mol/m3 Referentie lit. 1 lit. 1 lit. 1 lit. 3

(14)

2. Uitgangspunten van het ontwerv

• Denitrificatie van nitraat

1 N0_3-+ 0.134 NH/ + _{0.231 CO2}+ 1.303 CH₃0H => 0.67CHl.sNo.200.5 + _{1.838 H20}+ 0.864 He0_3-+ _0.5N2 ~GrOl

=

-550 kj/mol NH₄+ ~H _rOl

=

-582 kj/mol NH ₄+ C den2 C C den2 X den2 ( N O ) - CHpH r -=--*/lmax * * ) NO) yden2 C -+K - C +K N,X NO) NO) CHpH CHpH

Tabel 2.5 - Parameters denitrificatie van nitraat

YN.x den2 0.33 mol Xlmol N0

3-/lmax den2 3.01.10-5 lis

KN03-

1.0.10-2 _mol/m3

KcH10H rl~n 0.52 mol/m

3

• Aërobe groei op methanol

Ref./opmerking schatting

lit. 1

lit. 1 lit. 3

(15)

T,bl26P a e - arameters aero

.. b

e f<rOel Of) met ano h l

Parameter Waarde Eenheid Referentie

Y02X het 0.29 mol X/mol N02- lit. 1

~max het 8.33.10-5 1/s lit. 1

Ko2 2.5.10-3 moVm3 lit. 1

KcH,OH

hp, 2.08 moVm

3 _{lit. 3}

2.3.2 Niet biologische reacties

Naast de biologische reacties zijn er ook een groot aantal zuur-base evenwichten ..

• Waterevenwicht

• Kooldioxide-Bicarbonaat evenwicht

• Bicarbonaat-Carbonaat evenwicht

Ke3

=

1.24.10-6 mol/m3 (lit. 4)

• Ammonium-Ammoniak

(16)

2. Uitgangspunten van het ontwerp

• Salpeterig zuur-Nitriet

Ke5 = 5.71.10-1 mol/m3 (lit. 2)

Er wordt aangenomen dat zuur-base evenwichten zo snel verlopen dat ze zich instantaan instellen.

2.4 Gemaakte aannames bij het ontwerp

2.4.1 Ontwerp wasser

• de hoeveelheid NH₃in de ingaande luchtstroom is 300 ppm; • het debiet van de ingaande luchtstroom is 350000 m3/h; • het water naar de wasser bevat geen ammoniak meer; • de evenwichtslijnen en werklijnen zijn recht;

• het was medium heeft dezelfde stofeigenschappen als water;

• behalve de pH heeft de samenstelling van het wasmedium geen invloed op de verdelingscoëfficiënt van ammoniak;

• de drukval over de kolom is 21 mm H20 per meter pakking.

2.4.2 Reactorontwerp

• bij het instellen van de reactor instroom is uitgegaan van een maximale absorptie in de wassers;

• wasser en reactor kunnen samen als ideaal gemengde continue tankreactor beschouwd worden;

• 10% van het wasservolume bestaat uit vloeistof;

2.4.3 SHARON-simulatie

• de zuur-base evenwichten stellen zich instantaan in. • de reactor is iedeaal gemengd;

(17)

2.4.4 Warmtewisselaar • • • • • • •

alle NH3 die het proces binnenkomt wordt via nitriet omgezet naar N₂; de belasting van de reactor is maximaal;

het koelwater komt binnen op 1

rc;

er is geen warmteoverdracht tijdens de denitrificatie;

de warmtecapaciteit van het koelwater is constant op het traject 17-25°C; de viscositeit van het medium wijkt niet noemenswaardig af van die van water; fouling op de koelspiralen is beperkt (valt binnen de ontwerp-veiligheidsmarges).

2.4.5 Pompen en compressoren

• de vloeistof is niet-samendrukbaar;

• het gas gedraagt zich ideaal en heeft een compressibiliteitsfactor van 1.4; • isentropisch rendement is 0.85;

• voor alle gebruikte lucht wordt buitenlucht genomen.

2.4.5 Andere aannames

• alle biomassa kan weergegeven worden met de chemische formule: CHLSNo.200.S; • de biologische reacties die plaatsvinden zijn: ammoniumoxydatie, nitrietoxydatie,

aërobe groei op methanol, denitrificatie van nitriet en denitrificatie van nitraat; • substraatverbruik voor maintenance wordt verwaarloosd;

• er vindt geen afsterving van biomassa plaats door de temperatuursstijging in de wasser;

• de arbeidskosten zijn in de periode 1988-1996 evenveel gestegen als in de periode 1980-1988.

(18)

3. Keuze van de Qrocesstructuur

3. Keuze van de processtructuur

3.1 Motivering processtructuur

3.1.1 Het verwijderen van de ammoniak uit de luchtstroom.

De vervuilde lucht wordt onderin een waskolom ingebracht en verlaat de kolom aan de bovenkant. Het water komt boven aan de kolom binnen en gaat er vervuild aan de onderkant weer uit. Op deze manier vindt zo efficiënt mogelijk het verwijderen van ammoniak in de lucht plaats. De waskolom wordt uitgevoerd als een gepakte kolom. De drukval over een gepakte kolom is kleiner dan de drukval over een schotelkolom. Verder zijn gepakte kolommen geschikter voor schuimvormende systemen. Er is gekozen voor een recycle van het waswater van en naar de SHARON, omdat er maximaal 15 m3

fh water op de

afvalwaterzuivering geloosd kan worden. Na het SHARON-proces is de concentratie ammonium in het water zo sterk gedaald dat dit water weer gebruikt kan worden voor het wassen van de lucht.

Het wassen vindt plaats bij een druk van 1.2 bara en een temperatuur van 30 - 40

oe.

De luchtstroom komt binnen bij 1 bara en 40

oe

en het is niet nodig om de lucht extra te

comprimeren (de drukval over de kolom kan hiermee overwonnen worden) of te verwarmen. (De micro-organismen komen via de recycle van het water in de wasser terecht en zouden afsterven bij extreme condities.)

3.2.2 Nitrificatie en denitrificatie van het vervuilde water.

De nitrificatie en denitirificatie van het vervuilde water kunnen in twee afzonderlijke reactoren uitgevoerd worden. Nadelen bij de procesvoering in twee gescheiden

compartimenten zijn onder andere dat tijdens de nitrificatie de pH zal dalen, terwijl tijdens de denitrificatie de pH juist zal stijgen. Om problemen met de pH te voorkomen, kunnen zuur en loog toegevoegd worden. Het gebruik van chemicaliën dient echter voorkomen te worden. Vloeistofrecirculatie tussen de twee compartimenten kan helpen de pH in beide tanks in de hand te houden. Een vloeistofcirculatie is echter complicerend en vereist veel energie (pompen).

Er is dan ook gekozen voor het SHARON-proces. Dit betekent dat de reacties in 1 reactor plaatsvinden en de omzetting over nitriet gaat. Nitrificatie en denitrificatie van afvalwater in een enkele reactor heeft de volgende voordelen:

• 1 reactor i.p.v. twee reactoren: opschalingsvoordeel; • ongecompliceerd pH-gedrag;

• geen complexe vloeistofrecirculatie;

(19)

Nitrificatie over nitraat heeft de volgende nadelen:

• meer methanol nodig voor de denitrificatie;

• meer warmteproduktie;

• hogere beluchtingskosten.

De enkele reactor dient afwisselend belucht en niet-belucht te worden om op deze manier aërobe en anoxische condities op te leggen. Tijdens de aërobe fase wordt de SHARON-reactor belucht met buitenlucht. Er kan ook voor proceslucht gekozen worden, maar het voordeel van het gebruik van buitenlucht is dat de CO₂-spanning daarin relatief laag is,

waardoor extra CO₂gestript wordt. Dit komt de pH ten goede. Tijdens de anoxische fase

dient een elektrondonor toegevoegd te worden. Als elektrondonor is methanol gekozen. Methanol is relatief goedkoop en er zijn veel gegevens aanwezig over de groei van de denitrificeerders op methanol. Rutte B. V. zal eventueel ook het GFT -percolaat kunnen gebruiken als elektrondonor.

De nitrificatie en denitrificatie vinden plaats bij een druk van 1 bara en een temperatuur van 35

oe.

De bacteriën werken optimaal bij deze procescondities. Bij te hoge of te lage druk of temperatuur vindt er minder groei van de bacteriën plaats. Als reactortype is een bellenkolom

gekozen. Alternatieven waren een geroerde tankreactor en een airliftreactor. De bellenkolom

is voor een grote schaal en niet hoog-visceuze media het goedkoopste (lit. 6). Verder verwachten we dat tijdens de denitrificatie de grote recycle-stroom tussen de reactor en de bellenkolom voor voldoende menging zal zorgen waardoor roeren niet nodig zal zijn.

(20)

3.

Keuze van de processtructuur

3.2 Fysisch-chemische informatie

3.2.1 Stoffen en fysische eigenschappen

De stoffen met hun fysische eigenschappen zijn gegeven in tabel 3.1 (lit. 7).

~b131 a e -F . h 'ySlSC e elRensc appen h

Stof Formule Mol. Kook- Smeltpunt

gewicht punt

[gil] [0C] [0C]

carbon- CO₂ 44 -78.6 -56.6

dioxide (5.2 atm.)

methanol CH₃0H 32 65 -93.9

ammonium- (NH4)2 114 ONL Y IN SOLUTION

carbonaat C03·H2O

water H₂0 18 100 0

zuurstof O2 32 -183 -218.4

ammoniak NH₃ 17 -33 16.6

salpeterig HN02 47 ONL Y IN SOLUTION

zuur

salpeterzuur HNO, 63 83 -42

3.2.2 Fasenevenwichten

De volgende fasenevenwichten zijn aanwezig:

•

• • • Gig) CO2(g) Nig) NH₃(g) Oiaq) CO₂(aq) N2(aq) NHiaq) Vloeistof dichtheid [kgll] 1.031 0.7914 1.00 1.0492 1.5027 MAC-waarde [ppm] 5000 200 25

(21)

De temperatuurafhankelijkheid van de verdelingsevenwichten kan worden weergegeven met:

waarbij: mi =

T

=

A,B,C =

conc. i in de gasfase/conc. i in de waterfase temperatuur

constanten

De waarden voor A,B en C zijn weergegeven in tabel 3.2.

Tabel32 - Parameters A,R en C van de pOlynoomverRelUkinR.

A B -403 2.52 2.8 -3.87.10-02 -747 4.74 K C: -3.56.10.03 1.12.10-04 -6.77.10-03

_{0.5455 CO2}

+

0.8187 CH₃0H =>

0.4553CHl.sNo.200.5

+

_0.9554H20

+

0.9089 HC0_3-

+

_{0.5 N2} LlGrOl

=

-391 kj/mol NH/

LlHrOl

=

-408 kj/mol NH₄+ • Denitrificatie van nitraat

1 N0_3-

+

0.134 NH/

Niet-biologische reacties

(kinetische parameters gelden bij 35 gradenCelsius) • Waterevenwicht

(23)

• Bicarbonaat-Carbonaat evenwicht

Ke3

=

1.24.10-6 mol/m3 _(lit.₄₎

• Ammonium-Ammoniak

Ke4 = 1.13.10-6 mol/m3 _(lit.₂₎

• Salpeterig zuur-Nitriet

Ke5 = 5.71.10-1 mol/m3 (lit. 2)

Er wordt aangenomen dat zuurbase evenwichten zo snel verlopen dat ze zich instantaan instellen.

3.3 Processchema

De met ammoniak vervuilde lucht (stroom 1) gaat door de wassers (Tl, T3, T5) en gaat naar de biofilters. Deze lucht wordt in de wassers gewassen met een waterstroom (21) afkomstig uit de de SHARON-reactor (R9). De waterstroom wordt ook weer teruggevoerd naar de SHARON tank (stroom 14). De SHARON-tank wordt afwisselend belucht (stroom 15) en elke cyclus wordt er aan het begin van de niet-beluchte periode een puls methanol toegevoerd (stroom 20). Er wordt met stroom 2 leidingwater aan het proces toegevoerd en met stroom 9 proceswater afgevoerd. Verder wordt de temperatuur van de SHARON-tank geregeld met een koelwaterstroom (20 & 18).

(24)

Lucht uit

o

as

--·L-e--<idin:wo>-t-er---~e

T1, 3, 5 WASTORENS P2, 4, 6 POMPEN V7 METHANOL VOORRAAD PB POMP

e

0

Gezuiverde lucht noor biofilters

9 ~ (

o 0 0 0

I

Koeiwoter retour

FLOW CONTROLLER _{PROCESSCHEMA VOOR DE ZUIVERING VAN LUCHT}

(25)

4. Ontwerp van de apparatuur

4.1 - Ontwerp van de

wasser

Er is gekozen voor een gepakte kolom. Bij een gepakte kolom is de drukval over de kolom namelijk kleiner. Verder zijn gepakte kolommen geschikter voor schuimvormende systemen. Voor absorptie wordt vaak een gepakte kolom gebruikt.

De wasser is ontworpen volgens Coulson and Richardson's Chemical Engineering, volume 6 (lit. 8) . De wasser is een absorptiekolom, waarin ammoniak uit de lucht door het waswater geabsorbeerd wordt.

4.1.1 Specificaties

De ingaande luchtstroom heeft een debiet van 350.000 m3_1h,

wat overeenkomt met een massadebiet van ongeveer 440.000 kglhr. De wasser is ontworpen voor de maximale hoeveelheid ammoniak in de lucht: 300 ppm. De uitgaande luchtstroom mag nog maximaal 45 ppm ammoniak bevatten. Het gedetailleerde ontwerp is gegeven in bijlage I-A. .

4.1.2 Molaire verdelingscoëfficiënt

Allereerst is de molaire verdelingscoëfficiënt bepaald. Dit is gebeurd door in het

. computerprogramma ChemCAD de luchtstroom met een waterstroom te flashen en te kijken hoe het ammoniak zich verdeelde over de gasfase en de vloeistoffase (deels aanwezig als ammonium), bij verschillende pH's. De resultaten hiervan bevinden zich bij het gedetaileerde ontwerp (bijlage I-A). De pH van het (gerecycleerde) water naar de wasser schommelt tussen pH = 6.5 en pH = 8.5. De oplosbaarheid van ammoniak is het kleinst bij hoge pH's. De wasser moet ook bij hoge pH' s goed kunnen werken. De kolom is dan ook ontworpen met een verdelingscoëfficiënt van 0.5 (8 < pH < 8.5).

4.1.3 Aantal evenwichtstrappen

Vervolgens is het aantal evenwichtstrappen bepaald. Hierbij is ervan uitgegaan dat het (gerecycleerde) water (vrijwel) geen ammoniak meer bevat en dat de evenwichtslijnen en werklijnen recht zijn (verdunde oplossing). Er is een optimum bepaald van de verhouding van het aantal evenwichtstrappen en de factor m*GmlLm. Het aantal evenwichtstrappen is 3. Hiermee ligt ook de verhouding van de molaire gas stroom en vloeistofstroom vast.

(26)

4 - Ontwerplberekening van de aDparatuur

4.1.4 Pakking

Als pakking zijn plastic Pall-ringen gekozen. Pall-ringen zijn weliswaar wel duurder per volume-eenheid dan bijv. Raschig-ringen, maar hebben een grotere efficiency. Metalen en plastic ringen hebben een grotere efficiency dan keramische ringen, doordat het mogelijk is de wanden dunner te maken. Plastic ringen zijn beter corrosie-bestendig dan metalen ringen. De Pall-ringen hebben een grootte van 51 mmo Dit is de aanbevolen waarde voor een

kolomdiameter die groter is dan 0.9 m. Bij een te grote afmeting bestaat het gevaar dat er geen goede vloeistofverdeling aanwezig is. Beneden de 50 mm zijn de PaIl-ringen duurder, boven de 50 mm compenseren de lagere kosten per kubieke meter niet meer voor de lagere massa-overdracht-efficiency.

4.1.5 Diameter kolom

De diameter van de kolom is berekend door het totaal benodigde oppervlak uit te rekenen. De kolom is ontworpen voor een drukval van 21 mm H20 per meter pakking. Als richtwaarde wordt voor absorptie, bij eventueel schuimvormende systemen een drukval van 7.5 - 25 mm H₂0 aangehouden. De diameter van de kolom is 7 meter, met een flooding percentage van 62 procent. In plaats van 1 kolom is gekozen voor drie kolommen, omdat de kolommen dan afmetingen hebben die waarschijnlijk beter te realiseren zijn. De diameter is dan 4 m.

4.1.6 Hoogte kolom

Om de hoogte van de kolom te bepalen dient de hoogte van een overdrachtstrap bepaald te worden. Dit is met twee verschillende methodes gedaan: de methode van CorneIl en de methode van Onda. De hoogte van een overdrachtstrap volgens CorneIl bedroeg 1.5 men volgens Onda 1.15 m. Hiervan wordt de grootste waarde gebruikt: 1.5 m. De kolomhoogte (pakking) bedraagt dan 4.5 m. De totale hoogte van de kolom wordt 5 meter.

4.1.7 Constructiemateriaal

Als constructiemateriaal is roestvrij staal gekozen. Roestvrij staal is wel duurder dan bijv. gewoon staal, maar door de grotere ontwerpspanning kan het efficienter gebruikt worden. Verder is het minder aan corrosie onderhevig, waardoor de kolom minder vaak vervangen hoeft te worden. De minimale praktische wanddikte hangt af van de vatdiameter.

(27)

4.2 Ontwerp van de SHARON reactor

In de SHARON-reactor vindt afwisselend nitrificatie en denitrificatie plaats. Om ons

flow schema dynamisch door te kunnen rekenen is een vereenvoudiging toegepast. De wassers hebben een totaal volume van 188 m3. Hiervan wordt ongeveer 10 %

=

19 m3 door het water

ingenomen. Deze 19 m3 plus het volume van de leidingen wordt doorstroomd met 0.065

m3/s. Dit komt neer op een verblijf tijd van ongeveer 290 seconden. De hydraulische

verblijftijd in de SHARON-reactor t.o.v. de recycle van het waswater is 3.2 uur. De cyclustijd zal ook in de orde van grootte van uren zijn.

JIN

WASSERS

SHARON

L -_ _ --'I I UIT

RECYCLE

De wasser kan dus worden opgevat als onderdeel van de reactor waarbij de recycle een soort interne mengstroom is. Hierdoor kan een 'eenvoudig' model voor een ideaal gemengde continue tankreactor worden gebruikt. In werkelijkheid zal de reactor als bellenkolom

uitgevoerd worden.

De ideaal gemengde continue tankreactor werd gesimuleerd met een Simulink-model

(28)

4 -Ontwerolberekening van de aooaratuur

biologische en niet-biologische reacties verwerkt.

Bij de simulatie van het dynamische proces kunnen de volgende parameters ingesteld worden: • reactorvolume;

• reactordoorstroom (bleed); • beluchtingsdebiet;

• methanol (C-bron) toevoeging; • cyclustijd;

• tijdsverhouding nitrificatie/denitrificatie.

Bij het instellen van de instroom van reactanten is uitgegaan van de maximale capaciteit (100 % absorptie in de wasser) van 4.7 kmol NH3 per uur. Andere componenten die via de wasser het systeem binnen komen, zoals koolstofdioxide, zuurstof, water en stikstof zijn met behulp van een wasser in ChemCAD geschat. Hierbij is ervan uitgegaan dat de hoeveelheid water die het systeem binnenkomt door middel van procesregeling aangevuld wordt tot de gewenste reactor doorstroom.

Bij de simulatie is op de volgende zaken gelet: • de micro-organismen mogen niet uitspoelen;

• biomassaconcentraties mogen niet onrealistisch hoog worden;

• er moet voldoende belucht worden om het ammonium te kunnen oxideren, echter een sterke overbeluchting leidt tot nitraat- in plaats van nitrietvorming. Nadelen hiervan zijn dat er dan meer methanol nodig is voor de denitrificatie, er meer warmte geproduceerd wordt en de beluchtingskosten hoger zijn.

• er moet voldoende methanol toegevoegd worden om het nitriet of nitraat om te zetten naar N_2,echter het toevoegen van teveel methanol kan leiden tot een uitspoeling van de nitrificeerders omdat er dan heterotrofe groei op methanol en zuurstof zal

plaatsvinden.

• de pH mag minimaal 6-6.5 zijn en maximaal 8-8.5.

Bij het reactorontwerp zijn de volgende criteria geoptimaliseerd: • het volume zo klein mogelijk;

• de reactordoorstroom zo klein mogelijk; • de beluchting zo klein mogelijk;

• de methanol toevoeging zo klein mogelijk;

• NH/NH4 + concentraties zo laag mogelijk: een lage concentratie komt de efficientie

van de wassers ten goede;

• de gemiddelde pH zo laag mogelijk: een lage pH komt de efficientie van de wassers ten goede.

Verder moet er bij het reactorontwerp vanuit worden gegaan dat een aantal kinetische constanten kunnen afwijken van de werkelijkheid. Zo is bijvoorbeeld de ~ax van

(29)

geschatlberekend zijn, hebben een nauwkeurigheid van zo'n 30%.

4.2.1 Volume en doorstroom van de reactor

Het volume en het doorstroomdebiet bepalen de verblijftijd van het systeem. Door de verblijftijd van het systeem in te stellen wordt de groeisnelheid voor alle micro-organismen opgelegd. Indien een micro-organisme daar niet aan kan voldoen, wordt het organisme uitgespoeld. Van dit gegeven wordt gebruik gemaakt om de nitrietoxideerders uit te spoelen. Uit simulaties bleek dat bij een verblijf tijd kleiner dan 190 uur de nitrietoxideerders

uitspoelen. Bij een verblijftijd kleiner dan 130 uur bleken de ammoniumoxideerders uit te spoelen.

Een beperking aan de doorstroom in het ontwerp is dat er met de te zuiveren luchtstroom 2 à 3 m3 water per uur meekomt. De doorstroom is op 5 m3 per uur gesteld i.p.v. 15 m3 _{per uur:}

een kleinere doorstroom betekent dat met een kleiner volume dezelfde verblijf tijd gehaald kan worden.

4.2.2 Luchtgift en methanol toevoeging

De toe te voeren hoeveelheid zuurstof (en dus lucht) moet stoichiometrisch zijn volgens de reacties (zie hoofdstuk 2). Bij een verblijf tijd van 135 uur bleek een kolA van 2.5.10-2 _{1/s bij}

een debiet van 3.25 m3/s voldoende te zijn voor een conversie van 98% NH/. Bij een kolA van 5.10-2 1/s en een verblijf tijd van 135 uur bleek er nitraatvorming plaats te vinden.

De toe te voegen hoeveelheid methanol moet ook stoichiometrisch zijn volgens de reactie-stoichiometrie (zie hoofdstukt 2). Bij een maximale capaciteit van 4.7 kmol NB/uur zou dit dus neerkomen op 3.8 kmol/uur. De nitrietoxideerders zullen zich hechten aan vaste

oppervlakken in het proces zoals de vulling van de wasser (waar immers ook voldoende belucht wordt). Omdat bij de denitrificatie over N0₃-per N-mol ruim 1.5 keer meer methanol nodig is dan over N0_2-,wordt er in de simulatie, waar alles over N0_2-verloopt, een kleine overmaat methanol toegevoegd. Deze hoeveelheid zou, als het proces draait, geoptimaliseerd kunnen worden. De methanol wordt in een puls toegevoegd omdat de concentratie dan zo lang mogelijk hoog gehouden wordt, wat een gunstig effect op de groei snelheid heeft.

4.2.3 Cyclustijd en tijdsverdeling nitrificatie/denitrificatie

Met de cyclustijd kan de pH-schommeling in de hand worden gehouden. Bij een verkleining van de cyclustijd zal de pH minder uitwijking vertonen. De cyclustijd mag echter niet te klein worden omdat apparaten niet te frequent uit en aan gezet mogen worden. Bovendien zal er na het uitzetten van de beluchting een overgangsperiode zijn waarin de zuurstofconcentratie zakt.

(30)

4 - Ontwerolberekening van de apDaratuur

De volgende instellingen zijn genomen: • •

•

• • • • • hydraulisch volume: doorstroming: hydraulische verblijftijd: beluchtingsdebiet: kolA: methanol puls: overmaat) 5 m3/uur 150 uur (6.25 dag) 3.25 m3/s 2.5.10"2 lis

0.0215 m3/s gedurende 5 min. per cyclus (kleine

cyclustijd: 2 uur

tijdsverdeling nitrificatie/denitrificatie: 2: 1

Resultaten van de simulatie-run bij deze instelling zijn te vinden in figuur I-B.l in bijlage l.B. Ook werd een 'worst case' simulatie-run uitgevoerd waarin de Ilmax van de

ammoniumoxideerders 20% kleiner werd ingesteld dan aangenomen en de Ilmax van de nitrietoxideerders 20% groter dan aangenomen. Hiervan zijn de resultaten bevredigend (geen uitspoeling en geen nitraatvorming (zie bijlage I-B.2)). Verder werd een simulatie-run uitgevoerd waar slechts 50% van de maximale hoeveelheid NH3 het proces binnenkomt. Ook hiervan zijn de resultaten naar wens (zie bijlage I-B.3)

De reactor kan worden uitgevoerd als een grote tank met een volume van 750 m3 (22 m3 overgedimensioneerd). De hoogte van de tank bedraagt 5 meter. De diameter bedraagt 13.8 m. De SHARON-tank wordt uitgevoerd als een roestvrijstalen bak (zuur-basische condities) op een ondergrond van beton.

4.3 Ontwerp van de warmtewisselaar

De bij het SHARON-proces ontwikkelde warmte moet worden afgevoerd. Verder komt het water uit de wasser met een temperatuur van 40°C, terwijl het proces op 35°C draait. De luchtstroom door de SHARON heeft een lagere temperatuur dan de SHARON-tank en zorgt dus ook voor een koeling van de reactor tijdens de nitrificatie. Gekozen is voor een

koelspiraal in de SHARON-tank gemonteerd aan de wand van de tank. Dit is een zeer goedkope methode, aangezien er simpelweg een metalen buis in èe tank wordt gehangen. Er is ook een ontwerp van een shell en tube warmtewisselaar gemaakt, met 5 tube passes en I shell pass, voor installatie tussen de wassers en de SHARON. Deze warmtewisselaar is echter duurder dan de spiraal-optie. De koelspiraal is ontworpen aan de hand van Coulson &

Richardson, (lit. 8). Het gedetailleerde ontwerp van de koelspiraal en de warmtewisselaar is gegeven in bijlage I-C.

(31)

Er komt 67 kg/h ammoniak het proces in, dit komt overeen met een heat duty van resp. 896 en 1977 MJ per uur. Het water afkomstig uit de waskolom is 40°C, terwijl het proces op 35°C draait. Bij een inkomend debiet van 65 liter water per seconde is dit 4.9 MJ per uur. Tijdens de nitrificatie wordt de lucht door de reaktor geblazen. Deze lucht wordt opgewarmd naar 35

oe,

er verdampt ook water naar lucht. Samen geeft dit een koelend vermogen van 900 MJ per cycle. Het koelwater wordt uit de ringvaart opgepompt en heeft een temperatuur van ongeveer 15 graden. De uitgaande temperatuur van dit water mag maar 10 graden hoger zijn dan de ingaande temperatuur. Tijdens de nitrificatie wordt de tank belucht, dus er is goede menging in het medium. Tijdens de anoxische denitrificatie is er nauwelijks beweging in de tank en is de warmteoverdracht aan de mediurnzijde zeer slecht. Derhalve is er van uitgegaan dat de koeling van het proces voornamelijk tijdens de oxische fase moet gebeuren. Het

koel vermogen van de spiraal moet dus 3/2 keer hoger zijn: 4317 MJ/h. In werkelijkheid is er natuurlijk wel wat overdracht tijdens de denitrificatie, dus de capaciteit van de koeling is groter dan berekend.

4.3.2 Warmteoverdrachten

Om zeker te zijn dat in alle situaties voldoende gekoeld kan worden, is een

overdimensionering van ongeveer 20% berekend, door het koelwater van 17°C op te warmen naar slechts 25°C. De hoeveelheid water die dan nodig is om de warmte uit de tank te voeren is 321 m3_fh._{Om te voorkomen dat de drukval in de koelspiraal te hoog wordt, wordt de}

spiraal in vijfvoud uitgevoerd, dit betekent dat door elke spiraal 64.3 m3

fh water stroomt De spiralen hebben een diameter van 10 cm. Dit betekent intern een stroomsnelheid van 2.27 rnJs. Om de warmteoverdrachtscoëfficiënt van de spiraal te berekenen, is het Nusselt-getal berekend. De h van de roestvrijstalen wand van de pijp is zeer hoog, namelijk 1600 W/m2.K. De overdracht aan de kant van het medium is afhankelijk van de menging in de tank. Tijdens de beluchting is het water veel in beweging. De vergelijking voor de

warmteoverdrachtscoëfficiënt van het water in de SHARON tank is ontleend aan Van 't Riet. (lit.5)

h=9391 *(v )0.25*

[ l

11w

O.35

cgs 11s

De viscositeitscorrectie term is hierbij niet meegenomen. Aan de hand van de totale

overdrachtscoëfficiënt en het logaritmisch gemiddelde temperatuurverschil is het benodigde

uitwis~elingsoppervlak berekend, 213 m2

•

4.3.3 Layout, drukval

Uit het oppervlak volgt de lengte van de spiralen. Het benodigde oppervlak is zo groot, dat de drukval over de buizen buitengewoon groot zou moeten worden. Daarom is gekozen voor 5

(32)

4 -Ontwerplberekening van de apoaratuur

spiralen die parallel staan. Eén pijp kan langs de wand gemonteerd worden. Bij een diameter van 13.8 m maakt de pijp 16 rondjes, dus de lussen van de spiraal komen 32 cm van elkaar te liggen. Omdat er 5 spiralen zijn, is het handiger om de spiralen niet alleen maar langs de wand te leggen, maar ook door de tank heen. Dit is gunstig voor de warmteoverdracht. De drukval over de spiraal volgt uit de lengte en diameter van, en het koelwaterdebiet door de spiralen. Het precieze effect van fouling op de warmteoverdracht is niet bekend. Een laag aangekoekte biomassa zal de warmteoverdracht aanzienlijk verminderen. De koeling is echter overgedimensioneerd, en de verwachting is dat de koeling ook met fouling aan de buitenkant nog wel voldoende warmte kan afvoeren.

4.3.4 Tijdsconstante

Tijdens de denitrificatie is de warmteoverdracht veel slechter dan tijdens de nitrificatie. Bij het ontwerp zijn we uitgegaan van het slechtste geval, namelijk geen warmteoverdracht tijdens de anoxische fase. Als er geen koeling is, stijgt de temperatuur in de bak met 2.3 °C.

De koeling is hierop berekend. Tijdens de nitrificatie is de capaciteit groot genoeg om alle warmte af te voeren. De temperatuur kan ingesteld worden op 33.5 °C tegen het eind van de nitrificatie, zodat in het ergste geval de temperatuur aan het eind van de denitrificatie 35.8°C is. De reactor is ontworpen op de maximale NH₃aanvoer, bovendien is de overdracht tijdens denitrificatie niet echt nul. Tijdens normaal bedrijf zal de fluctuatie dus minder zijn.

4.3.5 Warmtewisselaar

Er is ook een ontwerp gemaakt van een 'shell en tubes' warmtewisselaar. Uit Coulson &

Richardson is de methode van Kern gebruikt om de warmteoverdracht van de buizen naar de shell side te berekenen. Het voordeel van een warmtewisselaar is, dat deze tussen de wassers en de SHARON reactor geplaatst kan worden. De koeling kan dan gebeuren aan het relatief warme water uit de wassers. Het water moet dan wel onderkoeld worden voor het naar de tank gestuurd wordt. Het waswater loopt door de shell, het koelwater door de buizen. In geval van fouling zijn de buizen dan makkelijker schoon te maken. Deze warmtewisselaar heeft 250 buizen, maar er zijn 5 tube passes. In feite staan er dus 50 buizen parallel. Er is niet voor deze optie gekozen, omdat de prijs van de warmtewisselaar hoger is dan de spiraal-optie.

(33)

5. Massa- en warmtebalansen

MASSA-EN

IN Voor-

_WARMTE-

Retour UIT

I waarts I

BALANS.

I I _M* M* I _M* _Q* M* Q* Q*

₁₂

I I Q* 213 -1671 I

P8

22937 -13233

3 i

CIO

I ~-

- - -

---297600 -4731900 297600

23 ~P13

1

lt -4731900 22937 r-

Ir~t

1~_1~

-13475 6109 -97171 213 r-

₂

16

23713 -24976 1- --1671

5~ARON

18

472314 r - - - 297600 -4721900 -7426000

-

19

1 ~

10078

- -

I

_U

14

476846

~r

- -

---158457 -7487000 A 10078 -158472 I

PII

I

20

472314 I

-],

-7427700 I

P6

1 - ' - - - - 476846 / ₁_\- _-7482500

21 5,8,11

881015 -563746 876483 -509236

1 ₁₀

-

_WASSERS

r---1207874 -5407721 _:Totaal _Totaal: 1207874 -5414584

*M in kg per cyclus F.V.O. nr. 3163

(34)

4 - Ontwervlberekening van de aDparatuur

4.4 Ontwerp van de pompen en compressoren

4.4.1 Pompen

De pompen zijn ontworpen volgens Coulson en Richardson (lit.8). Er is gekozen voor centrifugaalpompen. Het capaciteitsbereik hiervan ligt tussen de 0.25 m3/hr en 1000 m3/hr. De benodigde capaciteit van de pompen varieert tussen 3 en 250 m3/hr. De opvoerhoogte ligt tussen de 5 en 40 meter waterkolom. Voor de pompen is het benodigd vermogen berekend. Hierbij is rekening gehouden met het feit dat pomp 8, de methanolpomp, steeds een puls methanol geeft aan het begin van de denitrificatie. Het vermogen is weergegeven in tabel 4.1. T, a e b 141 B

-

eno d· d zgl vermogen van d epompen.

pomp: vermogen [kW] P2,P4,P6 2.9 P8 0.09 PIl 0.14 P12 8.2 P13 21

Het gedetailleerde ontwerp is gegeven in bijlage I-D.

4.4.2 Compressor

Bij het ontwerpen van de compressor is uitgegaan van zuivere lucht, wat zich gedraagt als een ideaal gas met een compressibiliteitsfactor van 1.4. Het benodigd vermogen voor

isentropische compressie is berekend. Het werkelijk vermogen is berekend door aan te nemen dat de pompefficiency 85 procent is. Het temperatuurverschil voor en na de compressor is verwaarloosd. Er is rekening gehouden met het feit dat de compressor alleen tijdens de nitrificatie in bedrijf is.

Het benodigd vermogen van de compressor, ClO bedraagt 278 kW. Het gedetailleerde ontwerp is gegeven in bijlage I-D.

(35)

Opmerking: De energiebalans klopt niet omdat er energie het proces in komt door de compressoren en pompen en omdat CHEMCAD niet goed met electrolyten kan omgaan en kennelijk de enthalpieën niet nauwkeurig genoeg zijn.

(36)

5. Massa- en warmtebalans

Stroomnummer 1 2 3 5 8

Stroomnaam verv. lucht in water in buitenlucht water uit water uit

wasser SHARON wasser 1 wasser 2

Componenten M M M M M

kg/cyclus kg/cyclus kg/cyclus kg/cyclus kg/cyclus

H+ _0.0000 _0.0000 _0.0000 _0.0000 0.0000 HN02 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 N0₂' _0.0000 _0.0000 _0.0000 _33.7739 _33.7739 N0₃' _0.0000 ₀_.₀₀₀₀ _0.0000 _0.0000 _0.0000 NH3 161.1960 0.0000 0.0000 8.9597 8.9597 NH/ 0.0000 0.0000 0.0000 82.8267 82.8267 HC0₃' _0.0000 _0.0000 _0.0000 _216.3652 _216.3652 C0₃2• _0.0000 _0.0000 _0.0000 _8.6921 _8.6921 CH30H 0.0000 0.0000 0.0000 2.6994 2.6994 O2 195906.6880 0.0562 5040.0000 3.6970 3.6970 CO2 7716.6954 0.3027 990.0000 4.7591 4.7591 N2 639292.0800 0.0921 16590.0000 9.5182 9.5182 X AMM 0.0000 0.0000 0.0000 220.4295 220.4295 X NITR 0.0000 0.0000 0.0000 0.0384 0.0384 X DEN 0.0000 0.0000 0.0000 858.1225 858.1225 H20 37938.3840 6108.5918 316.6800 157498.8612 157498.8612 Mtotaal kg/cyclus 881015.0434 6109.0428 22936.6800 158948.7429 158948.7429 Q MJ/cyclus -563746.0000 -97171.5625 -13233.0000 -2494166.6667 -2494166.6667 Stroomnummer 10 11 12 13 14

Stroomnaam lucht naar water uit methanol methanol verv. water naar

biofilter wasser 3 uit opslag naar SHARON SHARON

kg/cyclus kg/cyclus kg/cyclus kg/cyclus kg/cyclus

H+ ₀_.₀₀₀₀ _0.0000 ₀_.₀₀₀₀ _0.0000 _0.0000 HN02 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 N0₂' ₀_.₀₀₀₀ _33.7739 _0.0000 _0.0000 _101.3217 N0₃' ₀_.₀₀₀₀ _0.0000 _0.0000 ₀_.₀₀₀₀ ₀_.₀₀₀₀ NH3 1.1410 8.9597 0.0000 0.0000 26.8791 NH/ 0.0000 82.8267 0.0000 0.0000 248.4801 HC0₃' ₀_.₀₀₀₀ _216.3652 ₀_.₀₀₀₀ _0.0000 _649.0955 C0₃2_• 0.0000 8.6921 0.0000 0.0000 26.0763 CH30H 0.0000 2.6994 207.2320 207.2320 8.0982 O2 195896.1163 3.6970 0.0000 0.0000 11.0909 CO2 7352.6834 4.7591 0.0000 0.0000 14.2773 N2 639292.0800 9.5182 0.0000 0.0000 28.5546 X AMM 0.0000 220.4295 0.0000 0.0000 661.2885 X NITR 0.0000 0.0384 0.0000 0.0000 0.1153 X DEN 0.0000 858.1225 0.0000 0.0000 2574.3676 H20 33940.8886 157498.8612 6.1352 6.1352 472496.5836 Mtotaal kg/cyclus 876482.9092 158948.7429 213.3672 213.3672 476846.2287 Q

(37)

Stroomnummer 15 16 17 18 19

Stroomnaam schone lucht naar lucht uit water uit koelwater recyclewater

SHARON SHARON SHARON uit uit SHARON

kQ/cyclus kg/cyclus kg/~clus ~cyclus ~~clus

H+ _0.0000 _0.0000 _0.0000 _0.0000 0.0000 HN02 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 _0.0000 N0_2- _0.0000 _0.0000 _2.1620 _0.0000 _101.3217 N0_3- _0.0000 _0.0000 _0.0000 _0.0000 _0.0000 NH3 0.0000 0.0000 0.2108 0.0000 _9.8791 NH/ 0.0000 0.0000 2.0700 0.0000 97.0101 HC0₃- _0.0000 ₀_.₀₀₀₀ _3.1537 _0.0000 ₁₄₇_.₇₉₇₅ C0₃2 -0.0000 0.0000 0.4860 0.0000 22.7763 CH30H 0.0000 0.0000 0.1728 0.0000 8.0982 O2 5040.0000 4619.0781 0.0111 0.0000 _0.5192 CO2 990.0000 1511.6024 0.3046 0.0000 14.2773 N2 16590.0000 16714.4352 0.6093 0.0000 28.5546 X AMM 0.0000 0.0000 14.1106 0.0000 661.2885 X NITR 0.0000 0.0000 0.0025 0.0000 0.1153 X DEN 0.0000 0.0000 54.9318 0.0000 2574.3676 H20 316.6800 868.1144 10000.0008 297600.0000 468648.0000 Mtotaal kQ/cycius 22936.6800 23713.2301 10078.2259 297600.0000 472314.0054 Q MJ/cyclus -13475.0000 -24976.3613 -158456.6406 -4721900.0000 -7426000.0000 Stroomnummer 20 21 22 23

Stroomnaam water naar recyclewater koelwater koelwater

zuivering naar wasser in SHARON in

kQ/cycius kg/cyclus kg/cyclus ~g/9'clus kg/cyclus

H+ _0.0000 ₀_.₀₀₀₀ ₀_.₀₀₀₀ _0.0000 HN02 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 N0₂- ₂_.₁₆₂₀ _101.3217 _0.0000 _0.0000 N0_3- ₀_.₀₀₀₀ _0.0000 ₀_.₀₀₀₀ _0.0000 NH3 0.2108 9.8791 0.0000 0.0000 NH/ 2.0700 97.0101 0.0000 0.0000 HC0_3- _3.1537 ₁₄₇_.₇₉₇₅ _0.0000 _0.0000 C0₃2 - _0.4860 _22.7763 0.0000 0.0000 CH30H 0.1728 8.0982 0.0000 0.0000 O2 0.0111 0.5192 0.0000 0.0000 CO2 0.3046 14.2773 0.0000 0.0000 N2 0.6093 28.5546 0.0000 0.0000 X AMM 14.1106 661.2885 0.0000 0.0000 X NITR 0.0025 0.1153 0.0000 0.0000 X DEN 54.9318 2574.3676 0.0000 0.0000 H20 10000.0008 468648.0000 297600.0000 297600.0000 Mtotaal kg/cyclus 10078.2259 472314.0054 297600.oàoo 297600.0000 Q MJ/cyclus -158471.8281 -7427700.0000 -4731900.0000 -4731900.0000

(38)

6 -Overzicht specificatie apDaratuur

6. Overzicht en specificatie van apparatuur

6.1 Apparatenlijst voor reactoren, kolommen en vaten

FVO Nr. 3163

APPARAAT NO. T1,T3,T5 R9 V7

Benaming : Wasser SHARON methanol

_Type : gepakte kolom bellenkolom opslagvat

Abs.lEff. druk· 1 tot 1.1 bara 1 tot 1.5 bara 1 bara [bar] : Temp. [OC] : 35 - 42 34 - 36 25 Inhoud [m3_]: _62.8 ₇₅₀ ₂₅ Diameter [m] : 4 13.8 2.5 LofH [m] : 5 5 5 Vulling * _Pall-ring, plastic, Schotels 51 mm i (+ aantal) : Vaste pakking: Kat. type : Kat. vorm : I

Speciale roestvrij roestvrij roestvrij

constructie- staal staal staal

materialen Aantal in

- serie :

- parallel : 3

(39)

Technische Univ~rsit~it Delft _{FVO Nr. : 3163} Vakgroep Chemische Procestechnologie

6.2 SPECIFICATIEFORMULIER TORENS

APPARAATNUMMER :

Tl, T3, TS

Algemene eigenschappen I

Functie = - absorptie

Type toren = - gepakt

Type schotel = - n.v.t

Aantal schotels

- theoretisch =3

- practisch =

- Voedingschotel(pract) =

Schotelafstand (HETS) = [m] --- Materiaal schotel:

I Diameter toren =4 [m] --- Hoogte toren : 5 [m]

Materiaal toren = roestvrij staal

Verwarming = - geen

I Bedrijfscondities

I

Voeding Top Bodem Retlux-/

Extrac-tie-Absorptie- middel middel Temp. [OC] : 42 : 35 :40 :35 Druk [bar] : 1.2 : 1.1 :1.2 :1.1 Dichtheid [kg/m3 ] : 1.4 : 1.3 :992 :992 Massastroom [kg/sJ : 40.7 : 40.7 :22 :22

mol% wt% mol wt% mol% wt% mol% wt%

% Samenstelling N2 73 73 74 73 O2 20 22 20 22 CO₂ 0.560. 0.88 0.5 0.84 NH3 03 0.02 0.0 0.0 H20 6.7 4.3 6.1 3.9 99.4 99.1 99.5 99.2 NH₄+ 0.05 0.05 0.02 0.02 N0₂' 0.01 0.02 0.01 0.02 HC0₃' 0.04 0.14 0.01 0.03 X_AMM 0.10 0.14 0.10 0.14 X nl<'NITR 0.40 0.54 0.40 0.55

(40)

6 -Overzicht specificatie apparatuur Ontwerp

Aantal klokjes 1 Type pakking : Pall ringen

zeefgaten I • : Materiaal

pakking : plastic

Actief schoteloppervlak : [m] Afmetingen

pakking 51mm Lengte overloop rand : [mm] -inhoud : 56.7 [m3

] -lengte : [m]

Diameter valpijp I - breedte : [m]

gat! : [mm] - hoogte : 4.5 [m]

(41)

6.3 Apparatenlijst voor warmtewisselaars en fornuizen

FVO Nr.3163

APPARAAT NO. 9

Benaming : koeling SHARON Type : koel spiraal

Medium

- pijpen : water - mantel :

Capaciteit Uitgewisselde

warmte [kW]: 647.5 per spiraal Warmtewisse-lend opper-vlak [m2 ]: 230 per spiraal Aantal - serie : - parallel: 5 Abs. druk [bar]:

- pijpen : 5 dalend tot 1 - mantel : Temp. in/uit [OC] - pijpen :

-

17/25 reaktor: 35 Speciale constructie- RVS:AISI304 materialen

Overig : 5 koelspiralen hangend in de SHARON-tank. Massastroom per spiraal 19.34 kg/s : Warmte-capaciteit [kJ/kgOC] : 4.185

(42)

6 -Overzicht specificatie aooaratuur

6.4 Apparatenlijst voor pompen, blowers en compressoren

_{FVO Nr. 3163}

APPARAAT NO. P2 P4 P6 P8 Pll

Benaming : pomp pomp pomp pomp pomp

Type : centrifugaal centrifugaal centrifugaal centrifugaal centrifugaal Te verpompen water water water methanol water

medium : (95%) Capaciteit : 22 kg/s 22 kg/s 22 kg/s 0.71 kg/s 1.40 kgls [kg/s Dichtheid 1000 1000 1000 800 1000 [kg/m3] : Zuig-/pers- 1.012.0 1.0/2.0 1.0/2.0 1.0/1.5 1.0/1.5

druk (abs.! bara bara bara bara bara

eff.)* [bar] : Temp. InlUit 40/40 40/40 40/40 20/20 35/35 [OC] : Vermogen [kW] - theorie : 2.2 2.2 2.2 0.044 0.07 - praktijk: 2.9 2.9 2.9 0.089 0.14 Aantal - serie : - parallel: Speciale constructie-materialen Overig :

(43)

6.5 Apparatenlijst voor pompen, blowers en compressoren

FVO Nr. 3163

APPARAAT NO. P12 P13 ClO

Benaming : pomp pomp blower

Type : centrifugaal centrifugaal

Te verpompen water water lucht

I medium : I Capaciteit : 66 kg/s 41 kgls 4.8 kg/s [kg/sJ Dichtheid 1000 1000 1.2 [kg/m3 ] : Zuig-/pers- 1.512.5 1.0/5.0 1.0/1.7

druk (abs.! bara bara bara

eff.)* [bar] : Temp. InlUit 35/35 17/17 20120 [OC] : Vermogen [kW] - theorie : 6.6 17 237 - praktijk: 8.2 21 278 Aantal - serie : - parallel: Speciale constructie-materialen Overig :

(44)

7. Proces regeling

7. Proces regeling

In feite is het enige regeldoel voor de SHARON installatie het instandhouden van het proces en het garanderen van de proces veiligheid. Indien er voldoende water met lage NH₃

-concentratie door de wassers wordt gepompt, blijft de arnrnoniak-concentratie in de gewassen lucht laag genoeg om de stank te onderdrukken.

De biomassa moet in stand gehouden worden, derhalve moet er voldoende zuurstof aan het water worden overgedragen, en tijdens de anoxische periode moet er voldoende methanol worden toegevoegd, om als elektron-donor te fungeren.

De gemiddelde verblijf tijd van het water in de reaktor mag niet te kort worden, dit om te voorkomen dat de biomassa uitspoelt. Bovendien mag er niet meer dan 15 m3 _{water per uur} naar de afvalwaterzuivering afgevoerd worden. Een zeer belangrijk aspect voor het proces is de temperatuur. De reakties zijn exotherm, en het water dat de wassers uitkomt is bijna 40°C. De biomassa werkt optimaal bij 35°C, derhalve moet er altijd gekoeld worden.

7.1 De wassers

De wassers worden voorzien van een constant waterdebiet van 0.065 m3/s. Een pomp pompt het water uit de SHARON-tank naar de wassers. Daar splitst de stroom in drieën, en wordt per wasser het debiet aangeboden van 0.0217 m3/s. Dit debiet wordt geregeld door drie flowcontrollers. Het waswater wordt vanuit de wassers teruggepompt naar de SHARON tank. Om te voorkomen dat de pompen droog komen te staan, wordt er een laag water onderin de wasser gehouden. Per waskolom stuurt een niveau-regelaar een ventiel achter de pomp aan, om het debiet te regelen en zo voldoende water aan de pomp te waarborgen.

De lucht die door de wassers stroomt, wordt aangeboden vanuit de composteringshallen. De regeling van het debiet daarvan gebeurt bij het composteren. Al naar gelang het

composteringsproces dit vraagt, worden er meer of minder blowers ingeschakeld. Ons proces heeft hierop geen invloed.

(45)

7.2 De SHARON-tank

7.2.1 Niveau-regeling

Tijdens het bedrijf wordt vanuit de SHARON-tank een constante hoeveelheid water naar de afvalwaterzuivering gespuid. Dit water wordt gedeeltelijk aangevuld vanuit de te wassen lucht, gedeeltelijk vanuit het waterleidingnet. Op de tank is een level control aangebracht, die een ventiel in de aanvoerleiding van water kan knijpen. Voor een regeling op de

wateraanvoer, in plaats van op de waterafvoer, is gekozen omdat de afvoer een constant debiet (i.v.m. constante verblijftijd) moet hebben en dus niet geknepen mag worden. De gemiddelde verblijf tijd van water in het hele systeem (SHARON-tank

+

wassers) is 6 dagen. De karakteristieke tijd voor het volume van het systeem is dus ontzettend groot. Deze

regeling kan dan ook zo uitgevoerd worden dat de reactie op veranderingen zeer traag is. Dit is ook nodig, omdat er fluctuaties van het nivau in de tank te verwachten zijn tijdens de nitrificatie en denitrificatie. Als de level-control niet goed functioneert, dan loopt de tank over in een goot die eveneens naar de afvalwaterzuivering gaat.

7.2.2 Koeling

De tank moet continu gekoeld worden, deels vanwege de exotherme reakties, deels doordat het water dat uit de wassers komt bijna 40°C is, terwijl de tank op 35

oe

opereert. Koelwater wordt met een pomp uit de ringvaart opgepompt, en door de koelspiraal gestuurd. Op de tank is een temperatuurregelaar aangesloten, die een regelventiel achter de pomp aanstuurt. Als de temperatuur in de tank te hoog is, gaat het ventiel verder open, als de temperatuur te laag dreigt te worden, wordt het ventiel geknepen. Tijdens de denitrificatie is de warmteoverdracht in de tank slecht. De temperatuur in de tank zal dan ook een paar graden stijgen. Het is aan te raden om het setpoint van de temperatuur regelaar iets onder de 35°C te kiezen, zodat de temperatuur aan het eind van de nitrificatie laag is. Tijdens de denitrificatie heeft het geen zin om het ventiel achter de pomp volledig open te zetten. Dit kost alleen maar energie, en het water in de tank wordt er nauwelijks doorgekoeld. Enig debiet is wel gewenst om de warmte-overdracht toch te benutten.

7.2.3 Beluchting

Tijdens de nitrificatie wordt er lucht door de tank geblazen. Het debiet van deze luchtstroom luistert niet erg nauw. Een blower met constant vermogen stuurt de lucht naar de spargers. Deze blower wordt aan- en uitgeschakeld door een schakelprogramma.

(46)

7. Procesregeling

7.2.4 Methanoltoevoer

Aan het begin van de denitrificatie moet er methanol in de tank worden gebracht. Een pomp met een constant debiet pompt, zodra de beluchting wordt uitgeschakeld, een vastgestelde hoeveelheid methanol in de tank. Deze pomp wordt geschakeld door een

voorgeprogrammeerde regeling die zowel de blowers voor de beluchting schakelt, als de methanol pomp. Het debiet van de methanolpomp wordt geregeld met een flowcontroller in de leiding achter de pomp.

7.3 Procesregeling t.b.v. procesveiligheid

Met behulp van de HAZOP-analyse is gevonden dat er een aantal flowcontrolers moeten worden geïnstalleerd in het proces: namelijk in de buitenlucht aanvoer (stroom 3), de

methanol aanvoer (stroom 13) en waswater toevoer (stroom 21). Verder is er een niveaualarm en een temperatuuralarm in de SHARON tank gezet en een temperatuuralarm in de methanol opslagtank.