Wie Bewerten Pilotanlagen Für Die Gasabsorption In Der Verfahrenstechnik Änderungen Des Gasvolumens? Vergleich Zweier Waschmethoden

Pilotanlagen für die Gasabsorption in der Verfahrenstechnik verwenden beide Methoden, um die Entfernung gelöster Stoffe in eine messbare Änderung des Gasvolumens umzuwandeln. Die Methode des Volumens der Reinkomponente schätzt das von dem absorbierten Gas eingenommene Volumen und zieht diesen Beitrag vom Eintrittsgemisch ab, bevor eine Korrektur für die Austrittstemperatur und den Austrittsdruck vorgenommen wird. Die Partialdruckmethode verwendet ein konserviertes Inertgas, beispielsweise Stickstoff oder trockene Luft, und berechnet das Austrittsvolumen aus seinen Partialdrücken am Ein- und Austritt.

Das zentrale Prinzip ist die Erhaltung einer nicht absorbierten Referenzkomponente: Obwohl der gelöste Stoff abnimmt, bleibt die Inertkomponente in der Gasphase und bietet eine zuverlässige Grundlage für die Berechnung des endgültigen Gasvolumens.

Warum sich das Gasvolumen während der Gaswäsche ändert

Die Entfernung gelöster Stoffe verändert die Gesamtstoffmenge des Gases

Wenn ein Gaswäscher Salzsäure, Chlor, Schwefeldioxid, Kohlendioxid oder eine andere lösliche Komponente absorbiert, wird der gelöste Stoff aus der Gasphase in die Flüssigphase überführt.

Die Gesamtstoffmenge in der Gasphase nimmt daher ab, sofern nicht eine andere flüchtige Komponente, beispielsweise Wasserdampf, dem Gas hinzugefügt wird.

Auch Temperatur und Druck beeinflussen das Volumen

Das Gasvolumen hängt von mehr als nur der Zusammensetzung ab. Für ein ideales Gas gilt:

PV = nRT

Folglich kann ein Austrittsstrom aufgrund von Änderungen der Gasstoffmenge, der Temperatur, des Drucks oder aller drei Größen ein anderes Volumen aufweisen.

Das Inertgas dient als Referenz

Ein Trägergas wie Stickstoff oder trockene Luft wird als Bezugs-komponente ausgewählt. Es wird angenommen, dass sein Massen- oder Stoffmengenstrom die Absorptionskolonne unverändert durchläuft.

Diese konservierte Komponente ermöglicht es den Ingenieuren, die tatsächliche Entfernung gelöster Stoffe von Volumenänderungen zu unterscheiden, die ausschließlich durch die Betriebsbedingungen verursacht werden.

Anwendung der Methode des Volumens der Reinkomponente

Mit dem Volumen des Eintrittsgemischs beginnen

Messen oder berechnen Sie das Eintrittsgasvolumen, die Temperatur und den Druck:

V_in, T_in, P_in

Wenn die absorbierte Komponente den Eintrittsmolenbruch y_A,in besitzt, beträgt ihr Partialvolumen des idealen Gases bei den Eintrittsbedingungen:

V_A,in = y_A,in V_in

Äquivalent dazu kann das Volumen mithilfe ihrer Eintrittsstoffmenge berechnet werden:

V_A,in = n_A,in R T_in / P_in

Das mit dem absorbierten gelösten Stoff verbundene Volumen entfernen

Bei vollständiger Absorption der Komponente A wird das verbleibende Gasvolumen bei Eintrittstemperatur und -druck näherungsweise wie folgt berechnet:

V_remaining,in = V_in - V_A,in

Bei teilweiser Absorption darf nur der absorbierte Anteil entfernt werden:

V_remaining,in = V_in - Delta(n_A) R T_in / P_in

Hierbei ist Delta(n_A) die Anzahl der Mole von A, die in die Flüssigkeit überführt werden.

Diese Unterscheidung ist wichtig, da ein Gaswäscher normalerweise nur einen Teil des gelösten Stoffes und nicht die gesamte Menge entfernt.

Das verbleibende Gas auf die Austrittsbedingungen korrigieren

Nachdem das verbleibende Gasvolumen bei den Eintrittsbedingungen bestimmt wurde, wird die Idealgaskorrektur angewendet:

V_out =
V_remaining,in (T_out / T_in) (P_in / P_out)

Diese Berechnung setzt voraus, dass sich das verbleibende Gas ideal verhält und dass die für die Volumenschätzung verwendete Gaszusammensetzung bekannt oder hinreichend angenähert ist.

Die Methode für eine erste Volumenschätzung verwenden

Die Methode der Reinkomponente ist anschaulich, weil sie den absorbierten gelösten Stoff als einen Volumenbeitrag behandelt, der aus dem Gasstrom verschwindet.

Sie eignet sich besonders, um den direkten Zusammenhang zwischen der Entfernung gelöster Stoffe und dem verringerten Gasphasenvolumen zu veranschaulichen, sofern der Absorptionsgrad und die Betriebsbedingungen eindeutig definiert sind.

Anwendung der Partialdruckmethode

Die Bilanz des Inertgases aufstellen

Die Komponente I steht für das nicht absorbierte Trägergas. Seine Stoffmengen am Ein- und Austritt sind gleich:

n_I,in = n_I,out

Unter Verwendung des idealen Gasgesetzes und des Dalton-Gesetzes gilt:

n_I,in = P_I,in V_in / (R T_in)
n_I,out = P_I,out V_out / (R T_out)

Durch Gleichsetzen dieser Ausdrücke erhält man:

V_out =
V_in (P_I,in / P_I,out) (T_out / T_in)

Die Partialdrücke des Inertgases lauten:

P_I,in = y_I,in P_in
P_I,out = y_I,out P_out

Die Änderung des Partialdrucks interpretieren

Wenn der Gaswäscher gelöste Stoffe entfernt, nimmt das Inertgas einen größeren Anteil des Austrittsgemischs ein. Sein Molenbruch kann daher zunehmen, obwohl seine Stoffmenge unverändert bleibt.

Bei konstanter Temperatur muss das Austrittsvolumen zunehmen, wenn der Partialdruck des Inertgases abnimmt, damit dieselbe Menge Inertgas aufgenommen werden kann. Bleibt der Partialdruck des Inertgases unverändert, sagt die Inertgasbilanz keine durch die Zusammensetzung bedingte Volumenänderung voraus.

Den üblichen isothermen Fall anwenden

Wenn die Eintritts- und Austrittstemperaturen gleich sind:

V_out / V_in = P_I,in / P_I,out

Diese Form ist für Berechnungen an Pilotanlagen praktisch, da nicht der Volumenbeitrag jeder einzelnen Komponente direkt berechnet werden muss.

Gemessene Austrittsbedingungen einbeziehen

Die Methode sollte den tatsächlichen Partialdruck des Inertgases am Austritt verwenden, der aus der gemessenen Austrittszusammensetzung und dem Gesamtdruck berechnet wird.

Die Verwendung des Gesamtdrucks allein kann zu einem falschen Ergebnis führen, da der Gesamtdruck nicht erkennen lässt, welcher Anteil davon auf das konservierte Trägergas entfällt.

Verknüpfung der Volumenberechnungen mit der Leistung der Gaswäsche

Die absorbierte Menge des gelösten Stoffes bestimmen

Eine Stoffbilanz für den gelösten Stoff liefert die absorbierte Menge:

n_A,absorbed = n_A,in - n_A,out

Für einen Gasstrom mit einer konservierten Inertkomponente können die Eintritts- und Austrittsmengen des gelösten Stoffes relativ zum Inertgasstrom berechnet werden:

n_A / n_I = y_A / y_I

Der Absorptionsgrad ergibt sich dann zu:

fraction absorbed =
(n_A,in - n_A,out) / n_A,in

Die Zusammensetzung mit dem Gleichgewicht in Beziehung setzen

Die Austrittszusammensetzung des gelösten Stoffes hängt vom Gas-Flüssigkeits-Gleichgewicht, vom Lösungsmittelstrom, von der Temperatur, vom Druck und von der Kontaktwirksamkeit der Kolonne ab.

Das Henry-Gesetz oder andere Daten zum Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht können verwendet werden, um die Konzentration des gelösten Stoffes zu schätzen, die bei den Betriebsbedingungen im Gas verbleibt.

Gas- und Flüssigkeitsbilanzen gemeinsam prüfen

Das Ergebnis für das Gasvolumen sollte mit beiden Phasen konsistent sein:

Die Gasphase verliert den absorbierten gelösten Stoff.
Die Flüssigphase nimmt den gelösten Stoff auf.
Das inerte Trägergas verbleibt in der Gasphase.
Jedes verdampfte Lösungsmittel oder jeder kondensierbare Dampf muss als zusätzliche Komponente der Gasphase berücksichtigt werden.

Diese kombinierte Bilanz ist unerlässlich, wenn Wasserdampf oder reaktive Waschchemikalien die Austrittszusammensetzung beeinflussen.

Die Abwägungen verstehen

Die Methode der Reinkomponente hängt von einer eindeutigen Absorptionsgrundlage ab

Das Abziehen des gesamten Partialvolumens des gelösten Stoffes ist nur dann gültig, wenn die Komponente vollständig entfernt wird oder wenn die Berechnung ausdrücklich die absorbierte Menge darstellt.

Wenn Restmengen des gelösten Stoffes im Austrittsgas verbleiben, überschätzt das Abziehen des gesamten Eintrittsvolumens die Verringerung des Gasvolumens.

Die Partialdruckmethode hängt von einer gültigen Bezugskomponente ab

Das Trägergas muss unter den Bedingungen in der Kolonne nicht absorbiert werden, nicht kondensieren und nicht reagieren.

Wenn sich Stickstoff in erheblichem Umfang löst, Sauerstoff reagiert oder der Trägergasstrom durch Leckagen verloren geht, wird das berechnete Austrittsvolumen verfälscht.

Das Verhalten idealer Gase kann bei hohem Druck unzureichend sein

Bei moderaten Drücken ist das ideale Gasgesetz für Lehrzwecke und vorläufige Berechnungen an Pilotanlagen häufig ausreichend.

Bei erhöhtem Druck oder in der Nähe der Kondensation können Kompressibilitätsfaktoren und Fugazitätseffekte realer Gase erforderlich sein:

PV = ZnRT

Dieselbe Logik der konservierten Komponente gilt weiterhin, aber das Stoffmodell muss erweitert werden.

Kondensation und Lösungsmittelverdampfung erschweren die Bilanz

Ein Gaswäscher kann eine Gaskomponente entfernen und gleichzeitig Lösungsmitteldampf in den Gasstrom eintragen.

Beispielsweise kann eine Wasserwäsche ein saures Gas absorbieren und gleichzeitig den Wasserdampfgehalt erhöhen. Die Netto-Volumenänderung muss daher beide Effekte berücksichtigen.

Der Druckverlust muss gemessen oder modelliert werden

Füllkörperkolonnen weisen üblicherweise einen Druckverlust zwischen Ein- und Austritt auf.

Die Annahme eines konstanten Drucks bei einem erheblichen Druckverlust in der Kolonne kann den Absorptionseffekt verdecken und zu einer ungenauen Schätzung des Austrittsstroms führen.

Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen

Verwenden Sie die Methode, die am besten zu den verfügbaren Messungen und zum physikalischen Verhalten der Pilotanlage passt.

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Vermittlung des direkten Effekts der Entfernung gelöster Stoffe liegt: Verwenden Sie die Methode des Volumens der Reinkomponente. Ziehen Sie nur das Volumen ab, das der tatsächlich absorbierten Menge entspricht, und korrigieren Sie anschließend für Austrittstemperatur und -druck.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einer genauen Bewertung des Durchflusses in der Pilotanlage liegt: Verwenden Sie die Partialdruckmethode mit einem verifizierten Inertgas als Trägergas sowie gemessenen Partialdrücken am Ein- und Austritt.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Leistung des Gaswäschers liegt: Kombinieren Sie eine der beiden Volumenmethoden mit Stoffbilanzen für gelöste Stoffe und Lösungsmittel, um den Abscheidegrad und den Flüssigkeitsverbrauch zu berechnen.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Hochdruck- oder kondensierbaren Systemen liegt: Berücksichtigen Sie Effekte realer Gase, des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichts, der Kondensation und der Lösungsmittelverdampfung, anstatt sich allein auf eine Volumensubtraktion für ideale Gase zu verlassen.

Indem sie die Berechnung auf eine konservierte Inertkomponente und gemessene Betriebsbedingungen stützen, können Ingenieure durch die Gaswäsche verursachte Änderungen des Gasvolumens von Änderungen unterscheiden, die durch Temperatur, Druck oder Verdampfung verursacht werden.

Zusammenfassungstabelle:

Methode	Grundprinzip	Beste Anwendung	Wichtige Anforderungen
Volumen der Reinkomponente	Das Volumen des absorbierten gelösten Stoffes abziehen und für die Austrittsbedingungen korrigieren	Lehre und vorläufige Schätzungen	Bekannte absorbierte Menge, Temperatur und Druck
Partialdruck	Ein konserviertes Inertgas verwenden, um das Austrittsvolumen aus den Partialdrücken zu berechnen	Genaue Bewertung des Durchflusses in der Pilotanlage	Verifiziertes Trägergas und gemessene Zusammensetzung am Ein- und Austritt
Kombinierte Bilanz	Die Änderung des Gasvolumens mit den Stoffbilanzen der gelösten Stoffe und der Flüssigphase verknüpfen	Analyse der Gaswäscherleistung	Entfernung gelöster Stoffe, Lösungsmittelverdampfung und Gleichgewichtsdaten
Analyse realer Gase	Die Bilanz mithilfe von Kompressibilität und Phasengleichgewichtseffekten erweitern	Hochdruck- oder kondensierbare Systeme	Kompressibilitätsfaktor, VLE-Daten und Bewertung der Kondensation

Planen Sie mit LABPARK eine zuverlässigere Untersuchung der Gasabsorption. Unsere Pilotanlagen für Bildungs- und berufliche Ausbildung im Bereich der verfahrenstechnischen Grundoperationen unterstützen Universitäten, Forschungsinstitute und Unternehmen bei der Bewertung von Gaswäsche, Inertgasbilanzen, der Entfernung gelöster Stoffe, Druckverlust, Lösungsmittelverdampfung und dem Verhalten des Austrittsstroms unter realistischen Betriebsbedingungen. LABPARK bietet Pilotanlagen für die Verfahrenstechnik, Bioprozess- und Biotechnologie sowie Umwelt- und Wasseraufbereitungsanwendungen. Kontaktieren Sie LABPARK, um Ihr Zielgas, Lösungsmittel, Ihre Betriebsbedingungen, Lehr- oder Forschungsziele sowie die Pilotanlagenkonfiguration zu besprechen, die eine präzise Ausbildung, Prozessentwicklung und Maßstabsübertragung am besten unterstützt.