スプレータワー

スプレータワー（またはスプレーカラム、スプレーチャンバー）は、連続気相（分散した固体粒子を含むことができる）と分散液相の間で質量および熱の移動を実現するために使用されるガス-液体接触器です。これは、スチールまたはプラスチックでできた空の円筒形の容器と、容器に液体を噴霧するノズルで構成されています。入口ガス流は通常、タワーの底部から入り、上方に移動しますが、液体は1つ以上のレベルから下方に噴霧されます。入口ガスと液体が反対方向に流れるこの流れは、向流と呼ばれます。

このタイプの技術は、たとえば大気汚染制御用の湿式スクラバーとして使用できます。逆流により、汚染物質濃度が最も低い排出ガスが最も新鮮なスクラビング液にさらされます。タワー全体にさまざまな高さで多数のノズルが配置され、タワーを上昇するガスをすべて噴霧します。多数のノズルを使用する理由は、汚染物質粒子に衝突する微細液滴の数を最大化し、ガスを吸収するための表面積を大きくするためです。

理論的には、形成される液滴が小さいほど、ガス状汚染物質と粒子状汚染物質の両方の収集効率が高くなります。ただし、液滴は、洗浄された出口ガス流によってスクラバーから運び出されない程度の大きさでなければなりません。したがって、スプレータワーでは、通常直径 500～1000 μm の液滴を生成するノズルが使用されます。サイズは小さいですが、これらの液滴は、ベンチュリースクラバーで生成される10～50 μm の液滴と比較すると大きいです。過剰な液滴がタワーから運び出されないように、ガス速度は 0.3～1.2 m/s (1～4 ft/s) と低く抑えられます。

低いガス速度を維持するために、スプレー タワーは、同様のガス流の流量を処理する他のスクラバーよりも大きくする必要があります。スプレー タワーで発生するもう 1 つの問題は、液滴が短い距離を落下した後、凝集したりタワーの壁に衝突したりする傾向があることです。その結果、接触する液体の総表面積が減少し、スクラバーの収集効率が低下します。

スプレータワー内の流れは、向流構成に加えて、並流または横流構成にすることもできます。

並流スプレー塔では、入口ガスと液体は同じ方向に流れます。ガス流は液体スプレーを「押し」ないので、容器を通るガス速度は向流スプレー塔よりも速くなります。その結果、並流スプレー塔は、同じ量の排気流を処理する向流スプレー塔よりも小さくなります。横流スプレー塔 (水平スプレースクラバーとも呼ばれます) では、ガスと液体は互いに垂直方向に流れます。

この容器では、ガスが複数のスプレーセクションを水平に流れます。各セクションでスプレーされる液体の量と品質は変えることができ、通常は最もきれいな液体（リサイクルされた液体が使用されている場合）が最後のスプレーセットでスプレーされます。

スプレータワーは低エネルギーのスクラバーです。接触力はベンチュリースクラバーよりもはるかに低く、このようなシステム全体の圧力降下は一般に 2.5 cm (1 インチ) 水柱未満です。それに応じて、小さな粒子の収集効率は、よりエネルギーを消費する装置よりも低くなります。スプレータワーは、直径 10～25 μm を超える粗い粒子の収集には適していますが、液体入口ノズルの圧力を高くすると、直径 2.0 μm の粒子も収集できます。

ノズルでの液体圧力を高くすると、より小さな液滴を形成できます。最も高い収集効率は、小さな液滴が生成され、液滴の速度と上昇する粒子の速度の差が大きい場合に達成されます。ただし、小さな液滴は沈降速度が小さいため、このメカニズムで動作するスクラバーには最適な液滴サイズの範囲があります。

この液滴サイズの範囲は、重力噴霧（逆流）塔の場合、500〜1,000μmです。^[1]非常に高い圧力（2070〜3100kPa（300〜450psi））で水を注入すると、非常に細かい液滴の霧が生成されます。このような場合、慣性衝突以外の収集メカニズムが発生するため、より高い粒子収集効率を達成できます。^[2]ただし、これらのスプレーノズルは、同じ収集効率で動作する ベンチュリよりも液滴を形成するために多くの電力を使用する場合があります。

スプレー塔はガス吸収に使用できますが、充填塔やプレート塔ほど効果的ではありません。汚染物質の溶解性が高い場合や液体に化学試薬が添加されている場合、 スプレー塔は汚染物質の除去に非常に効果的です。

たとえば、スプレータワーは、塩酸の製造における排ガスからHClガスを除去するために使用されます。肥料の製造に使用される過リン酸石灰の製造では、プロセスのさまざまなポイントから SiF ₄および HF ガスが排出されます。スプレータワーは、これらの非常に溶解性の高い化合物を除去するために使用されています。スプレータワーは、骨粉および獣脂製造産業で、排気ガスを KMnO ₄溶液で洗浄することにより、臭気を除去するためにも使用されます。

スプレータワーは、腐食性雰囲気で大量のガスを処理できるため、多くの排ガス脱硫システムで汚染物質除去プロセスの第 1 段階または第 2 段階として使用されます。

スプレー タワーでは、液滴のサイズを小さくしたり、液体とガスの比率(L/G) を高くしたりすることで吸収力を高めることができます。ただし、いずれかを達成するには、消費電力と運用コストの両方を増やす必要があります。さらに、スプレー タワーの物理的なサイズによって、使用できる液体の量と液滴のサイズが制限されます。

他のスクラバーに対するスプレータワーの主な利点は、完全にオープンな設計であることです。スプレー ノズル以外の内部部品はありません。この機能により、他のスクラバーに見られるスケールの蓄積や詰まりの問題の多くが解消されます。主なメンテナンスの問題は、特にリサイクルされたスクラバー液を使用する場合に、スプレー ノズルの詰まりや腐食です。これらの問題を軽減するために、リサイクルされたスクラビング液をノズルに送り返す前に、沈殿システムまたは濾過システムを使用して、研磨粒子をリサイクルされたスクラビング液から除去します。

スプレー タワーは、主にガス調整 (冷却または加湿) または第一段階の粒子またはガス除去に使用される安価な制御装置です。また、多くの排ガス脱硫システムで、汚染物質による詰まりやスケールの蓄積を減らすために使用されています。

多くの洗浄システムでは、一次洗浄機の前または底部にスプレーを使用して、詰まりの原因となる大きな粒子を除去します。

スプレー タワーは、大きな粒子や溶解度の高いガスを除去するために効果的に使用されています。タワー全体の圧力降下は非常に低く、通常は 2.5 cm (1.0 インチ) 未満の水圧です。そのため、スクラバーの運用コストは比較的低くなります。ただし、液体のポンプ コストは非常に高くなる場合があります。

スプレータワーは様々なサイズで構築されています。小型のものは0.05 m ³ /s（106 ft ³ /min）以下の小さなガス流量を扱い、大型のものは50 m ³ /s（106,000 m ³ /min）以上の大きな排気流量を扱います。必要なガス速度が低いため、大きなガス流量を扱うユニットはサイズが大きくなる傾向があります。スプレータワーの動作特性を次の表に示します。^[3]

• ギルバート、JW 1977。ジェットベンチュリによる煙除去。PN チェレミシノフおよび RA ヤング（編）『大気汚染制御および設計ハンドブック』第 2 部。ニューヨーク：マルセル デッカー。
• McIlvaine 社。1974 年。ウェット スクラバー ハンドブック。イリノイ州ノースブルック: McIlvaine 社。
• リチャーズ、JR 1995. 粒子状物質排出の制御 (APTI コース 413)。米国環境保護庁。
• リチャーズ、JR 1995。ガス状排出物の制御。(APTI コース 415)。米国環境保護庁。