การออกแบบระบบสครับบิง (Scrubbing)

 

          ระบบสครับบิง (Chemical Scrubbing Process) เป็นกระบวนการบำบัดกลิ่นโดยใช้สารละลายช่วยในการดูดซึมในกรณีกลิ่นที่มีคุณสมบัติเป็นด่าง เช่น แอมโมเนีย (Ammonia) ไตรเมทิลลามีน (Trimethylamine) จะนำมาทำปฏิกิริยากับสารละลายกรด (Acid Solution) เพื่อให้ได้สารประกอบที่ไม่มีกลิ่น ส่วนในกรณีที่สารที่ก่อให้เกิดกลิ่นมีคุณสมบัติเป็นกรด เช่น ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (Hydrogen Sulfide) เมทิล เมอร์เคปแทน (Methyl Mercaptan) จะทำปฏิกิริยากับสารละลายด่าง (Alkaline Solution) ได้เป็นสารประกอบที่ไม่มีกลิ่นหรือมีกลิ่นน้อยลง

การออกแบบระบบสครับบิง หรือระบบดูดซึม

          ระบบสครับบิง ที่ใช้โดยทั่วไปมีสองแบบ คือ ระบบในแนวตั้งใช้อากาศไหลเข้าด้านล่างและออกด้านบน ส่วนอีกแบบหนึ่งคือ อากาศไหลเข้าและออกในแนวนอน (Cross-Flow) โดยในปัจจุบันระบบแนวนอนได้รับความนิยมมากขึ้น เพราะมีปัญหาการอุดตันน้อยและความสูงไม่มากนัก สามารถวางไว้ในห้องที่มีเพดานต่ำๆ ได้ ระบบมีทั้งชนิดที่ใส่ตัวกลาง (Packings) ไว้ภายในเพื่อเพิ่มผิวของการสัมผัสระหว่างก๊าซและของเหลว บางระบบที่ไม่มีตัวกลางก็ใช้การสเปรย์น้ำเป็นฝอยเล็กๆ เป็นม่านน้ำ หรือใช้การอัดฉีดน้ำกับอากาศที่ความดันสูง (Venturi) ดังรูป สรุปก็คือทำให้อากาศกับน้ำมีการสัมผัสและสารที่มีกลิ่นในอากาศเข้าไปละลายในน้ำ ข้อควรระวังในการใช้งานระบบคือ ต้องระวังไม่ให้อุณหภูมิของอากาศที่จะบำบัดก่อนเข้าระบบสูงเกินไปเพราะจะทำให้เกิดไอน้ำและลดประสิทธิภาพของการดูดซึมลง ในกรณีที่จำเป็นอาจต้องมีอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนของอากาศก่อนเข้าระบบ และควรระวังเรื่องฝุ่นละอองเพราะอาจทำให้อุดตันได้

          รายละเอียดในการออกแบบของระบบนี้ค่อนข้างละเอียดและจำเป็นต้องรู้คุณสมบัติของอากาศและสารที่มีกลิ่นโดยละเอียด และควรศึกษาเพิ่มเติมจากตำราระบบบำบัดมลพิษทางอากาศ ข้อมูลการออกแบบข้างล่างนี้เป็นส่วนหนึ่งจากตำราระบบบำบัดมลพิษทางอากาศสำหรับระบบแบบถังตั้งแนวดิ่งชนิดมีตัวกลางบรรจุอยู่

    1. สารเคมีที่มีกลิ่นในอากาศต้องละลายน้ำได้ หรือทำปฎิกิริยากับสารที่เราเติมลงไปในน้ำ ตัวอย่างเช่น แอมโมเนียละลายในน้ำได้ดี หรือ Amine ละลายได้ไม่ดี แต้หากเติมไฮโปคลอไรต์ที่ความเข้มข้น 5% ก็จะทำให้ Amine ถูกออกซิไดซ์ในน้ำได้เป็นอย่างดี
    2. ความเร็วของอากาศที่ผ่านตัวกลางประมาณ 0.9-1.22 เมตรต่อวินาที สำหรับตัวกลางเซรามิค ควรใช้ความเร็วต่ำ สำหรับตัวกลางที่เป็นพลาสติกควรใช้ความเร็วสูงกว่า ความดันลดประมาณ 0.2-0.25 นิ้วน้ำต่อความลึกของตัวกลาง 1 เมตร
    3. อัตราการไหลของของเหลวที่ผ่านตัวกลางเซรามิคประมาณ 21.1-42.2 กิโลกรัม/ชั่วโมงต่อตารางเมตร อัตราการไหลของของเหลวที่ผ่านตัวกลางพลาสติกประมาณ 63.34-84.46 กิโลกรัม/ชั่วโมงต่อตารางเมตร

 

รูปที่ 25 การใช้การผสมอากาศกับน้ำโดยการใช้คอคอดและแรงดันสูงแบบเวนจูรี
ที่มา US EPA, EPA Air Pollution Cost Control Manual, 6th Ed US EPA,Research Triangle Park, NC,USA, January 2002

 

รูปที่ 26 ระบบสครับบิงแบบ Three Bed Cross Flow Packed Tower


รูปที่ 27 ระบบสครับบิงแบบ Countercurrent Packed Tower

ค่าที่จำเป็นที่ต้องใช้ในการออกแบบมีดังนี้

  1. อัตราส่วนของของเหลวต่อก๊าซ
  2. ปริมาณของเหลวก๊าซออก
  3. เส้นผ่านศูนย์กลางของหอบรรจุตัวกลาง
  4. ความสูงของหอบรรจุตัวกลาง

ขั้นตอนการคำนวณ มีดังนี้

1. หาอัตราส่วนของของเหลวต่อก๊าซ
สูตรที่ใช้เป็นสูตรของการอนุรักษ์มวล คือ
          Gm (y1-y2) = Lm (x2-x1)
       
เมื่อ Gm เป็นการไหลของก๊าซ (กรัมโมล/ชั่วโมง)
          Lm เป็นการไหลของของเหลว เช่น น้ำที่ใช้ดูดซึมสารในอากาศ (กรัมโมล/ชั่วโมง)
          Y1 = ความเข้มข้นของสารที่มีกลิ่นในก๊าซ เช่น 1,000 ส่วนในล้านหรือ ppm ก็จะเป็นสัดส่วน 0.001
          Y2 = ความเข้มข้นของสารที่มีกลิ่นในก๊าซขาออก เช่น 10 ppm ก็จะเป็นสัดส่วน 0.00001 จะเห็นว่าเรากำหนดตรงนี้ได้ว่าจะให้ระบบมีประสิทธิภาพเท่าใดในการกำจัดสารที่มีกลิ่น
          X2 = สัดส่วนของสารที่มีกลิ่นในของเหลวขาออก คิดเป็นเศษส่วนของโมลของของเหลวทั้งหมด ต้องมีค่าไม่เกินความเป็นจริง เพราะของเหลวย่อมมีขีดจำกัดในการดูดซึมสารเคมี ให้เปิดดู Solubility ของสารในของเหลวที่ใช้ โดยปกติเราจะให้ความเข้มข้นของสารในของเหลวที่ออกมาจากระบบบำบัดกลิ่นมีค่าต่ำ เพราะหากให้ค่าสูงมากเกินไป น้ำหรือของเหลวที่ใช้ก็จะน้อยไป และการสัมผัสระหว่างอากาศกับของเหลวจะไม่ได้ตามทฤษฎี

          ในตัวอย่างนี้จะให้ความเข้มข้นของแอมโมเนียในน้ำมีสัดส่วน X1 เป็น 0.0018
          คือน้ำ 1 ลิตรมีน้ำอยู่ 1,000/นน.โมเลกุลน้ำ 18 = 1,000/18 = 55.5 โมล และในนี้มีแอมโมเนีย 0.1 โมล (1.7 กรัม ละลายอยู่)
ดังนั้นสัดส่วน X1 = 0.1/55.5 = 0.0018
              
                  X1 = สัดส่วนของสารที่มีกลิ่นในของเหลวขาเข้า คิดเหมือน X1 ข้างบน แต่โดยปกติ น้ำที่เข้ามาจะมีแอมโมเนียน้อยมาก
                          เช่น 0 กรัม ดังนั้น X2 มักเป็น 0 ยกเว้นกรณีที่มีการรีไซเคิลของเหลวหรือน้ำที่ใช้แล้ว
เพราะฉะนั้น ในตัวอย่างจะให้ X2 มีสัดส่วนเทียบกับน้ำ = 0.000

ตัวอย่างข้างบนนี้จะได้ Gm(0.001-0.00001) = Lm (0.0018 - 0)
Gm/Lm = 0.0018/0.00099 ~ ได้ประมาณ 1.8

          กล่าวคือ อัตราส่วนของก๊าซจะมากกว่าน้ำ 1.8 เท่า (คิดเป็นโมล/โมล) แสดงให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างการละลายของสารที่มีกลิ่นในของเหลวกับความเข้มข้นในอากาศแสดงในรูป และในการทำงานจริงจะต้องเพิ่มปริมาณของเหลวให้มากกว่าที่คำนวณดังแสดงใน Actual Operating Line ดังรูป

          ความชันของกราฟนี้มีค่าวัดได้ เรียกว่า m จะนำไปใช้คำนวณความลึกของตัวกลางในภายหลัง

รูปที่ 28 ความสัมพันธ์ระหว่างการละลายในของเหลวของสารที่มีกลิ่น และความเข้มข้นของสารในอากาศ

2. การหาปริมาณของเหลวที่ต้องการ

          ในการหาปริมาณของเหลวที่ต้องการนั้นจำเป็นต้องทราบข้อมูลปริมาณอากาศที่เข้าระบบ เช่น ตัวอย่างอากาศมีอัตราการไหล 10 ลูกบาศก์เมตรต่อนาทีซึ่งเป็นอากาศที่มีแอมโมเนียปนเปื้อนย่อมจะหาปริมาณของเหลวที่ต้องการวัด เพราะอากาศ 10 ลบ.เมตร/นาที มีน้ำหนักประมาณ 10 กก./นาที (อากาศมีน้ำหนักประมาณ 1 กก. ต่อ 1 ลบ.ม หรือ 2.2 ปอนด์ ต่อ 1 ลบ.ม) และอากาศ 1 โมล มีน้ำหนักโมเลกุลประมาณ 29 กรัม

อากาศ 10 กก./นาที = 10,000/29 = 341 โมล/นาที
สมมติให้แอมโมเนียเป็นสารที่ต้องการบำบัดกลิ่นและมีความเข้มข้น 1,000 ppm
แอมโมเนียที่มีในอากาศ = 341 x 1000 x 10^- 6 = 0.341 โมล/นาที (5.8 กรัม/นาที)
จากการคำนวณในข้อ 1) Lm = Gm/ 1.8
น้ำที่ต้องการ = 341/1.8 ประมาณ 190 โมล/นาที = 190 x 18 = 3,420 กรัม/นาที = 3.42 ลิตร/นาที

3. เส้นผ่านศูนย์กลางของหอบรรจุตัวกลาง

          หอบรรจุตัวกลางจะมีผลต่อความเร็วของอากาศที่ไหลผ่าน หากหอกว้างมากไปอากาศจะไหลผ่านที่ความเร็วต่ำแม้จะบำบัดได้ดีแต่บำบัดมวลของสารที่ทำให้เกิดกลิ่นได้น้อยไม่คุ้มกับค่าที่ก่อสร้าง หากหอแคบเกินไปความเร็วของอากาศจะสูงและจะดันน้ำที่ตกลงมาให้ย้อนขึ้นข้างบน ปกติแล้วค่าของเส้นผ่านศูนย์กลางหาได้จากกราฟข้างล่าง

เมื่อ Fp = Packing Factor ข้อมูลดูในตารางหรือได้ข้อมูลจากผู้ขายตัวกลาง
MW คือน้ำหนักโมเลกุลของของเหลว หรืออากาศ ( ที่มีอักษร L) หริออากาศ (G) เช่นน้ำ = 18 อากาศ = 29
ค่า g เป็นค่าแรงโน้มถ่วงของโลก = 32.2 ฟุต/วินาที2
ค่า u เป็นความหนืดของของเหลว หน่วยเป็นปอนด์/ฟุต-ชั่วโมง

          โดยปกติจะคำนวณค่าของแกนนอน (Abscissa) ดังสูตรในกราฟนี้ก่อน แล้วลากเส้นจากค่าที่ได้ขึ้นไปชนเส้นกราฟ และหาค่าของแนวตั้ง (Ordinate) จะเห็นได้ว่าเราจะสามารถแทนค่าหา G ซึ่งเป็นอัตราการไหลของอากาศที่ผ่านสครับเบอร์ (หน่วยเป็นปอนด์ของอากาศ/วินาที-ตารางฟุตของผิวหน้าตัดของตัวกลางที่ปูวางในนั้น) จากนั้นหาพื้นที่หน้าตัดของถัง (A) ได้จาก

          เมื่อ Gmol,I เป็น Molecular Flow Rate หรืออัตราการไหลของอากาศที่เข้าระบบเป็นโมล/ชั่วโมง และ Gsfr,i คือค่า G ที่คำนวณได้ข้างบน f เป็น Flooding Factor มีค่า 0.60-0.75 ส่วน 3600 คือแปลงชั่วโมงกับวินาที

4. ความสูงของหอบรรจุตัวกลาง

          เมื่อได้เส้นผ่านศูนย์กลางของหอบรรจุตัวกลางแล้วจะต้องคำนวณความสูงของตัวกลางที่เหมาะสม โดยต้องทราบข้อมูลว่าความสูงสำหรับตัวกลางประเภทต่างๆควรเป็นเท่าใด เพราะเป็นข้อมูลที่ได้จากการทดลอง ดังนี้

กลิ่นและสารละลายที่ใช้ดูดซับ
HCl (ก๊าซ) H2O (น้ำ) ความสูง 0.18-0.34 เมตร
Cl2 (ก๊าซ) NaOH (ในน้ำ) ความสูง 0.24-0.37 เมตร
NH3 (ก๊าซ) H2O (น้ำ) ความสูง 0.09-0.21 เมตร
OH (ก๊าซ) H2O (น้ำ) ความสูง 0.24-0.39 เมตร
H2S (ก๊าซ) NaOH (ในน้ำ) ความสูง 0.24-0.39 เมตร
NH3 (ก๊าซ) H2SO4 (ในน้ำ) ความสูง 0.9-0.16 เมตร

ความสูงข้างบนนี้เป็นเพียงความสูง 1 หน่วยของที่เรียกกันว่า Transfer Unit เท่านั้น ระบบจะทำงานได้ดี ต้องมีหลาย Transfer Unit ซึ่งเรียกว่าจำนวน Transfer Unit นี้ว่า NTU ค่า NTU นี้หาจาก

y1 = ความเข้มข้นของสารที่มีกลิ่นในก๊าซ เช่น 1,000 ส่วนในล้านหรือ ppm ก็จะเป็นสัดส่วน 0.001
y 0 = ความเข้มข้นของสารที่มีกลิ่นในก๊าซขาออก เช่น 10 ppm ก็จะเป็นสัดส่วน 0.00001 จะเห็นว่าเรากำหนดตรงนี้ได้ว่าจะให้ระบบมีประสิทธิภาพเท่าใดในการกำจัดสารที่มีกลิ่น

เมื่อ Lmol,i และ Gmol,i เป็น Molecular Flow Rate หรืออัตราการไหลของของเหลวและอากาศที่เข้าระบบเป็นโมล/ชั่วโมง ตามลำดับ
ซึ่งค่า m ที่ใกล้จุดสมดุลมีค่าใกล้ 0 ดังนั้น จะเห็นได้ว่า ค่า NTU มีค่า ln y1/y 0 โดยประมาณ

ค่าความสูงของหอบรรจุตัวกลาง = NTU x ความสูงของ 1 Transfer Unit

          เมื่อคำนวณได้ค่าดังกล่าวแล้วก็จะได้ค่าในการออกแบบครบถ้วน ส่วนความดันลดในระบบนั้นควรได้จากผู้ขายตัวกลาง ปกติประมาณ 0.5-1 นิ้วน้ำต่อความหนาของตัวกลาง 1 ฟุตในการใช้งานทั่วไป

ตารางที่ 15 ค่า Packing Factors สำหรับตัวกลางแต่ละชนิด

 

| หน้าแรก |การบำบัดกลิ่น | เลือกวิธีการบำบัด | ระบบสาธิต | อภิธานศัพท์ | ค้นหา | Site Map | ผู้จัดทำ |
กรมควบคุมมลพิษ กระทรวงทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม