Berechnen Sie in einer Gasabsorptions-Pilotanlage die Änderung der Durchflussrate, indem Sie eine unveränderte Trägergaskomponente verfolgen. Bestimmen Sie den molaren Inertgasstrom aus dem volumetrischen Einlassstrom, Druck, Temperatur und Zusammensetzung; verwenden Sie denselben Inertgasstrom mit der Austrittszusammensetzung, um den reduzierten Gesamtgasstrom zu berechnen. Die Differenz zwischen dem molaren Einlass- und Auslassstrom des gelösten Stoffes ist die Absorptionsrate.

Wichtigste Erkenntnis: Das Trägergas ist die Bezugskomponente für die Bilanz. Wenn es weder absorbiert noch erzeugt wird, bleibt sein molarer Fluss konstant, während die Entfernung des löslichen Gases die molaren und volumetrischen Gesamtgasdurchflussraten reduziert.

Grundlage der Stoffbilanz festlegen

Identifizieren der Gaskomponenten

Es gilt:

(A) = löslicher Stoff, der entfernt wird, wie Ammoniak, Schwefeldioxid oder Chlorwasserstoff
(I) = inertes Trägergas, wie Luft oder Stickstoff
(G_{\text{in}}), (G_{\text{out}}) = molare Gesamtgasdurchflussraten
(y_A), (y_I) = Molenbrüche in der Gasphase
(Q) = volumetrische Gasdurchflussrate

Bei verdünnten Gasgemischen werden angegebene Volumenanteile normalerweise als Molenbrüche behandelt, da bei idealen Gasen bei gleicher Temperatur und gleichem Druck Volumenbruch gleich Molenbruch ist.

Verwendung einer konsistenten Basis

Verwenden Sie entweder:

mol/s oder kmol/h für Molbilanzen, oder
kg/s oder kg/h für Massenbilanzen.

Vermischen Sie nicht den tatsächlichen volumetrischen Durchfluss mit dem Standard-Volumendurchfluss, ohne eine Korrektur für Temperatur und Druck vorzunehmen. Verwenden Sie zudem absolute Temperatur und absoluten Druck in der Gasgleichung.

Auswahl der Bezugskomponente

Das inerte Trägergas ist die nützlichste Referenz, da seine Menge den Absorber normalerweise unverändert passiert:

[ \dot n_{I,\text{in}}=\dot n_{I,\text{out}} ]

Diese Annahme ist nur gültig, wenn das Trägergas nicht absorbiert, erzeugt, verbraucht, kondensiert oder durch Leckagen verloren geht.

Berechnung des Gaseinlassstroms

Umrechnung des Einlassvolumens in den molaren Gesamtstrom

Für ein ideales Gas berechnen Sie den molaren Gesamtgasstrom am Einlass wie folgt:

[ \dot n_{G,\text{in}}

\frac{P_{\text{in}}Q_{\text{in}}}{Z_{\text{in}}RT_{\text{in}}} ]

wobei:

(P_{\text{in}}) = absoluter Einlassdruck
(Q_{\text{in}}) = tatsächliche volumetrische Einlassdurchflussrate
(T_{\text{in}}) = absolute Einlasstemperatur
(R) = Gaskonstante
(Z_{\text{in}}) = Kompressibilitätsfaktor, bei verdünnten Gasen unter moderatem Druck oft als 1 angenähert

Wenn der Durchflussmesser einen Standard-Volumendurchfluss meldet, verwenden Sie den entsprechenden Standarddruck und die Standardtemperatur anstelle der tatsächlichen Turmbedingungen.

Berechnung des Inertgasstroms

Wenn der Molenbruch des Inertgases am Einlass (y_{I,\text{in}}) ist:

[ \dot n_I

y_{I,\text{in}}\dot n_{G,\text{in}} ]

Äquivalent dazu, wenn der Molenbruch des gelösten Stoffes am Einlass (y_{A,\text{in}}) ist und das Gas nur aus dem gelösten Stoff und dem inerten Trägergas besteht:

[ y_{I,\text{in}}=1-y_{A,\text{in}} ]

Daher:

[ \dot n_I

(1-y_{A,\text{in}})\dot n_{G,\text{in}} ]

Berechnung des Stoffstroms am Einlass

Der molare Einlassstrom des gelösten Stoffes ist:

[ \dot n_{A,\text{in}}

y_{A,\text{in}}\dot n_{G,\text{in}} ]

Dies ist die Menge, die mit dem Stoffstrom am Auslass verglichen wird, um die Abscheidung zu bestimmen.

Berechnung des Gasauslassstroms

Anwendung der Inertgasbilanz

Da das inerte Trägergas den Absorber unverändert passiert:

[ \dot n_{I,\text{out}}

\dot n_{I,\text{in}}

\dot n_I ]

Wenn der Molenbruch des Inertgases am Auslass als (y_{I,\text{out}}) gemessen wird, ist der molare Gesamtauslassstrom:

[ \dot n_{G,\text{out}}

\frac{\dot n_I}{y_{I,\text{out}}} ]

Für ein Gas, das nur aus inertem Trägergas und restlichem gelösten Stoff besteht:

[ \dot n_{G,\text{out}}

\frac{\dot n_I}{1-y_{A,\text{out}}} ]

Dies ist die entscheidende Berechnung. Der molare Gesamtauslassstrom ist im Allgemeinen nicht gleich dem molaren Gesamteinlassstrom, da der gelöste Stoff entfernt wurde.

Berechnung des Stoffstroms am Auslass

Unter Verwendung der gemessenen Konzentration des gelösten Stoffes am Auslass:

[ \dot n_{A,\text{out}}

y_{A,\text{out}}\dot n_{G,\text{out}} ]

Wenn andere nicht absorbierte Gaskomponenten vorhanden sind, verwenden Sie die vollständige Auslasszusammensetzung:

[ \dot n_{G,\text{out}}

\frac{\dot n_I}{y_{I,\text{out}}} ]

Der Inertanteil muss die tatsächliche Zusammensetzungsbasis enthalten, die für die Messung verwendet wurde, wie z. B. Trockengas oder Feuchtgas.

Bestimmung der absorbierten Stoffrate

Unter der Annahme, dass in der Gasphase kein gelöster Stoff durch Reaktion erzeugt oder verbraucht wird:

[ \dot n_{A,\text{absorbed}}

\dot n_{A,\text{in}}

\dot n_{A,\text{out}} ]

Die entsprechende Massenabsorptionsrate ist:

[ \dot m_{A,\text{absorbed}}

\dot n_{A,\text{absorbed}}M_A ]

wobei (M_A) das Molekulargewicht des gelösten Stoffes ist.

Berechnung der Abscheidungseffizienz

Der abgeschiedene Anteil ist:

[ \eta_A

\frac{\dot n_{A,\text{in}}-\dot n_{A,\text{out}}} {\dot n_{A,\text{in}}} ]

Der prozentuale Abscheidungsgrad ist:

[ %,\text{removal}

100\eta_A ]

Dies ist normalerweise das direkteste Leistungsmaß für eine Waschkolonne.

Umrechnung von molaren Durchflussänderungen in volumetrische Durchflussänderungen

Verwendung der Gasgleichung am Auslass

Sobald der molare Gesamtauslassstrom bekannt ist, berechnen Sie den volumetrischen Auslassstrom unter den Bedingungen am Turmauslass:

[ Q_{\text{out}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}Z_{\text{out}}RT_{\text{out}}} {P_{\text{out}}} ]

Für ein ideales Gas:

[ Q_{\text{out}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}RT_{\text{out}}} {P_{\text{out}}} ]

Das Auslassvolumen kann größer oder kleiner als das Einlassvolumen sein. Die Entfernung gelöster Stoffe tendiert dazu, die Gesamtmolzahl zu verringern, während Temperaturanstieg oder Druckabfall das Volumen tendenziell erhöhen.

Trennung von Zusammensetzungseffekten und Bedingungseffekten

Eine Änderung des volumetrischen Durchflusses hat zwei mögliche Ursachen:

Zusammensetzungseffekt: Die Absorption ändert die Gesamtzahl der Gasmolzahlen.
Thermodynamischer Effekt: Temperatur- oder Druckänderungen verändern das Gasvolumen.

Zum Beispiel: Selbst wenn der molare Gasstrom abnimmt, kann die Erwärmung in der Kolonne diese Reduzierung des gemessenen volumetrischen Durchflusses teilweise ausgleichen.

Direkte Verknüpfung von Einlass- und Auslassstrom

Die Kombination der Beziehungen für ideale Gase ergibt:

[ \frac{Q_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}}{\dot n_{G,\text{in}}} \frac{T_{\text{out}}}{T_{\text{in}}} \frac{P_{\text{in}}}{P_{\text{out}}} ]

Für nicht-ideale Gase schließen Sie das Verhältnis der Kompressibilitätsfaktoren ein:

[ \frac{Q_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}}{\dot n_{G,\text{in}}} \frac{Z_{\text{out}}}{Z_{\text{in}}} \frac{T_{\text{out}}}{T_{\text{in}}} \frac{P_{\text{in}}}{P_{\text{out}}} ]

Diese Gleichung zeigt deutlich, warum Einlass- und Auslassdurchflussmesser unterschiedliche volumetrische Raten melden können, selbst wenn der molare Trägergasstrom unverändert bleibt.

Abschluss der flüssigkeitsseitigen Bilanz

Aufstellen der Stoffbilanz über die gesamte Kolonne

Im stationären Zustand lautet die Stoffbilanz:

[ \dot n_{A,\text{gas,in}} + \dot n_{A,\text{liquid,in}}

\dot n_{A,\text{gas,out}} + \dot n_{A,\text{liquid,out}} ]

Wenn die eintretende Flüssigkeit keinen gelösten Stoff enthält:

[ \dot n_{A,\text{liquid,out}}

\dot n_{A,\text{gas,in}}

\dot n_{A,\text{gas,out}} ]

Dieses Ergebnis sollte mit der absorbierten Stoffrate auf der Gasseite übereinstimmen.

Berücksichtigung des Lösungsmittelstroms

Wenn das Lösungsmittel nicht flüchtig ist und nicht reagiert:

[ \dot n_{S,\text{liquid,in}}

\dot n_{S,\text{liquid,out}} ]

In praktischen Systemen kann jedoch Wasser oder ein anderes Lösungsmittel in das Gas verdampfen. Wenn die Lösungsmittelverdampfung signifikant ist, muss die Lösungsmittelbilanz diesen Verlust beinhalten:

[ \dot n_{S,\text{liquid,in}}

\dot n_{S,\text{liquid,out}} + \dot n_{S,\text{gas,out}}

\dot n_{S,\text{gas,in}} ]

Eine Korrektur für feuchtes Gas kann daher erforderlich sein, wenn Gaszusammensetzungen oder Durchflussraten verglichen werden.

Verwendung von Massenbrüchen bei entsprechenden Betriebsdaten

Wenn die Flüssigkeitszusammensetzung als Massenbruch des gelösten Stoffes (w_A) angegeben wird, ist der Massenstrom des gelösten Stoffes in der Flüssigkeit:

[ \dot m_{A,\text{liquid}}

w_A\dot m_{\text{liquid}} ]

Für einen stationären Absorber sollte der Anstieg des gelösten Stoffes auf der Flüssigkeitsseite der Entfernung auf der Gasseite entsprechen:

[ \dot m_{A,\text{liquid,out}}

\dot m_{A,\text{liquid,in}}

\dot m_{A,\text{gas,in}}

\dot m_{A,\text{gas,out}} ]

Dies ist besonders nützlich für wässriges Ammoniak, Sauergaswäsche und andere Systeme, bei denen Flüssigkeitskonzentrationen direkt gemessen werden.

Interpretation der Kolonnenleistung

Vergleich gemessener Zusammensetzungen mit dem Gleichgewicht

Die Gasabsorption wird durch den Unterschied zwischen dem tatsächlichen Gas-Flüssigkeits-Zustand und dem Gleichgewicht angetrieben. Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsdaten setzen den Partialdruck des gelösten Stoffes im Gas in Beziehung zu seiner Konzentration in der Flüssigkeit bei der Betriebstemperatur und dem Betriebsdruck.

Für verdünnte Systeme kann eine Gleichgewichtsbeziehung in der Form geschrieben werden:

[ y_A^*=m x_A ]

wobei:

(y_A^*) = Molenbruch des gelösten Stoffes in der Gasphase im Gleichgewicht
(x_A) = Molenbruch des gelösten Stoffes in der Flüssigphase
(m) = Gleichgewichtssteigung

Die Stoffbilanz bestimmt, wie viel gelöster Stoff entfernt wurde; die Gleichgewichtsbeziehung hilft zu erklären, ob die Kolonne über eine ausreichende Stofftransport-Triebkraft verfügte.

Verwendung der Arbeitslinienbeziehung

Für einen stationären Gegenstromabsorber kann eine vereinfachte Massenbilanzbeziehung unter Verwendung von Gewichtsfraktionen des gelösten Stoffes ausgedrückt werden:

[ \frac{w_{A,\text{gas,out}}-w_{A,\text{gas,in}}} {w_{A,\text{liquid,out}}-w_{A,\text{liquid,in}}}

-\frac{F_{\text{liquid}}}{F_{\text{gas}}} ]

Das negative Vorzeichen spiegelt die entgegengesetzten Zusammensetzungsänderungen wider: Der gelöste Stoff nimmt im Gas ab, während er in der Flüssigkeit zunimmt.

Ein hohes Flüssigkeits-Gas-Durchflussverhältnis bietet im Allgemeinen eine größere Lösungsmittelkapazität und eine stärkere Absorption, erhöht jedoch auch die Flüssigkeitszirkulation und den Bedarf an nachgeschalteten Hilfsmitteln.

Verständnis der Kompromisse

Gehen Sie nicht davon aus, dass der Gesamtgasstrom konstant ist

Die Annahme eines konstanten Gesamtgasstroms nach der Absorption führt zu einer falschen Stoffbilanz, es sei denn, der Durchfluss wird unabhängig gesteuert oder eine andere Gaskomponente ersetzt den entfernten gelösten Stoff.

Der korrekte Ansatz besteht darin, das inerte Trägergas zu erhalten und den gesamten Auslassstrom aus der Auslasszusammensetzung neu zu berechnen.

Verwechseln Sie nicht tatsächlichen und Standarddurchfluss

Ein Durchflussmesser kann (\mathrm{m^3/h}) unter Standardbedingungen melden, während die Kolonne bei einem anderen Druck und einer anderen Temperatur arbeitet. Rechnen Sie alle Messwerte auf eine gemeinsame Basis um, bevor Sie sie in der Bilanz verwenden.

Das Unterlassen führt zu scheinbar großen Stoffbilanzfehlern, selbst wenn die Ausrüstung ordnungsgemäß funktioniert.

Prüfung auf Lösungsmitteldampf und Kondensation

Wasserdampf, der dem Gas hinzugefügt wird, erhöht die gesamte Gas-Molzahl, während Kondensation Molzahlen aus der Gasphase entfernt. Diese Effekte können in einigen Systemen mit der Entfernung gelöster Stoffe vergleichbar sein.

Verwenden Sie nach Möglichkeit Trockengaszusammensetzungen oder schließen Sie Lösungsmitteldampf explizit in die Komponentenbilanz ein.

Berücksichtigung von Reaktions- und Wärmeeffekten

Einige absorbierte Gase reagieren in der Flüssigkeit, wie es bei Ammoniak oder Chlorwasserstoff in wässrigen Systemen der Fall sein kann. Die Reaktion entwertet nicht die gesamte Stoffbilanz, beeinflusst jedoch das Gleichgewicht, die Flüssigkeitszusammensetzung und die Form, in der die absorbierten Spezies vorliegen.

Absorption kann auch erhebliche Wärme freisetzen. Wenn sich die Kolonnentemperatur signifikant ändert, verwenden Sie die gemessene Auslasstemperatur in der Gasvolumenberechnung und bewerten Sie den Kühlbedarf separat mit einer Energiebilanz.

Behandlung des Bilanzabschlusses als Diagnose

Eine nützliche Gesamtprüfung ist:

[ \text{Balance closure}

\frac{\text{input rate}-\text{output rate}} {\text{input rate}} ]

Für den gelösten Stoff sollten die Flüssigkeitsanreicherung oder die absorbierte Rate innerhalb der erwarteten Messunsicherheit mit der Abnahme auf der Gasseite übereinstimmen.

Große Diskrepanzen deuten häufig auf falsche Durchflussbasen, Messfehler bei der Zusammensetzung, Lecks, instabilen Betrieb, ungemessene Lösungsmittelverdampfung oder eine ungültige Inertgasannahme hin.

Anwendung auf Ihre Pilotanlage

Verwenden Sie die folgende Sequenz für jeden stationären Betriebszustand:

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Genauigkeit der Stoffbilanz liegt: Berechnen Sie den molaren Inertgas-Einlassstrom, setzen Sie ihn gleich dem Inertgas-Auslassstrom und verwenden Sie gemessene Zusammensetzungen, um alle Gesamt- und Komponentendurchflussraten zu bestimmen.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Änderung des Gasdurchflusses liegt: Berechnen Sie das Auslassvolumen mit (Q=\dot n ZRT/P) unter Verwendung von Auslasstemperatur und -druck, anstatt anzunehmen, dass der volumetrische Einlassstrom unverändert bleibt.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Effizienz der Stoffabscheidung liegt: Berechnen Sie ((\dot n_{A,\text{in}}-\dot n_{A,\text{out}})/\dot n_{A,\text{in}}) und überprüfen Sie das Ergebnis anhand des Anstiegs des gelösten Stoffes in der Flüssigkeit.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Lösungsmittelbedarf liegt: Kombinieren Sie die Stoffbilanz mit Flüssigkeitszusammensetzung und Gleichgewichtsdaten, um festzustellen, ob der Lösungsmittelstrom eine ausreichende Absorptionskapazität bietet.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einem zuverlässigen Pilotanlagenbetrieb liegt: Prüfen Sie Trocken- gegen Feuchtgasbedingungen, Druckabfall, Temperaturänderung, Lösungsmittelverdampfung, Reaktion und den gesamten Bilanzabschluss, bevor Sie die Trennleistung interpretieren.

Mit dem inerten Trägergas als Bezugskomponente und konsistenten Druck-Temperatur-Zusammensetzungsdaten können sowohl die Absorptionsleistung als auch Änderungen des Gasdurchflusses direkt berechnet und unabhängig überprüft werden.

Zusammenfassungstabelle:

Berechnung	Hauptgleichung oder Methode	Zweck
Gesamtgas-Einlassstrom	(\dot n_{G,in}=P_{in}Q_{in}/(ZRT_{in}))	Umrechnung von Einlassvolumen in molaren Durchfluss
Inertgasstrom	(\dot n_I=y_{I,in}\dot n_{G,in})	Festlegung der konservierten Bezugskomponente
Gesamtgas-Auslassstrom	(\dot n_{G,out}=\dot n_I/y_{I,out})	Berücksichtigung der Entfernung gelöster Stoffe
Absorbierte Stoffrate	(\dot n_{A,absorbed}=\dot n_{A,in}-\dot n_{A,out})	Quantifizierung der Stoffaufnahme
Abscheidungseffizienz	(\eta_A=(\dot n_{A,in}-\dot n_{A,\text{out}})/\dot n_{A,\text{in}})	Messung der Absorberleistung
Volumetrischer Auslassstrom	(Q_{out}=\dot n_{G,out}Z_{out}RT_{out}/P_{out})	Bestimmung der tatsächlichen Gasdurchflussänderung
Flüssigkeitsseitige Verifizierung	Flüssigkeits-Stoffanstieg = Gas-Stoffentfernung	Überprüfung des Stoffbilanzabschlusses

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