Temperaturschwankungen wirken sich nicht auf alle Konzentrationskennzahlen in gleicher Weise aus. In einem stabilen, einphasigen Strom ohne Materialverlust oder Reaktion bleiben Gewichtsprozent und Molprozent im Wesentlichen unverändert, während sich der Volumenprozentanteil bei Flüssigkeiten mit der Temperatur ändert, da thermische Ausdehnung und Mischeffekte das Volumen beeinflussen. Bei Gasen entspricht der Volumenprozentanteil unter idealen Gasbedingungen näherungsweise dem Molprozentanteil, sodass die Temperatur in der Regel eher das Gasvolumen und die Durchflussrate als die Zusammensetzung verändert.

Der entscheidende Unterschied liegt zwischen der Zusammensetzung und der Messbasis: Die Temperatur ändert im Allgemeinen nicht die Massen- oder Molenbrüche eines stabilen Stroms, kann jedoch die Dichte, das Gesamtvolumen, den Volumenstrom, den Phasenzustand und die Genauigkeit von Konzentrationsberechnungen, die auf diesen Größen basieren, verändern.

Warum Temperatur bei Messungen in Pilotanlagen für Verwirrung sorgt

Zusammensetzungskennzahlen und Zustandsvariablen sind verschieden

Eine als Prozentsatz ausgedrückte Konzentration kann die relative Menge jeder Komponente oder die Menge, die ein gemessenes Volumen einnimmt, beschreiben.

Gewichtsprozent und Molprozent sind Kennzahlen für die Zusammensetzung. Volumenprozent kann entweder eine Kennzahl für die Zusammensetzung oder eine von der Messung abhängige Größe sein, je nachdem, ob es sich auf die Gaszusammensetzung, die Flüssigkeitsformulierung oder den Volumenstrom bezieht.

Die Temperatur verändert direkt den physikalischen Zustand und das Volumen eines Stroms. Sie fügt nicht automatisch Masse oder Moleküle hinzu oder entfernt diese.

Die Messbasis bestimmt den Effekt

Angenommen, ein Flüssigkeitsstrom wird ohne Verdampfung, Reaktion oder Phasentrennung erhitzt. Die Massen und Molzahlen der Komponenten bleiben konstant, aber die Flüssigkeit dehnt sich aus.

Infolgedessen bleibt eine nach Masse oder Molen angegebene Zusammensetzung stabil, während sich jede pro Volumeneinheit berechnete Konzentration ändern kann.

Auswirkung auf Gewichtsprozent

Gewichtsprozent ist normalerweise temperaturunabhängig

Gewichtsprozent wird wie folgt berechnet:

[ w_i = \frac{m_i}{\sum_j m_j} \times 100 ]

Wenn durch Erhitzen oder Abkühlen nur die Temperatur geändert wird, ändern sich die Massen der Komponenten nicht. Daher bleibt der Gewichtsprozentanteil konstant.

Zum Beispiel hat eine Lösung, die eine feste Masse an gelöstem Salz und Lösungsmittel enthält, vor und nach mäßigem Erhitzen denselben Gewichtsprozentanteil, vorausgesetzt, es verdampft kein Lösungsmittel und es kristallisiert kein Feststoff aus.

Wann sich Gewichtsprozent ändern kann

Die Temperatur kann den Gewichtsprozentanteil indirekt verändern, wenn sie ein physikalisches oder chemisches Ereignis verursacht, einschließlich:

Verflüchtigung oder Verdampfung einer Komponente
Kondensation in den oder aus dem Strom
Kristallisation oder Ausfällung
Chemische Reaktion
Thermische Zersetzung
Materialverlust durch Leckagen oder Mitreißen

Wenn ein flüchtiges Lösungsmittel aus einer flüssigen Lösung verdampft, enthält die verbleibende Flüssigkeit einen größeren Anteil der nicht flüchtigen Komponente nach Gewicht. Die Temperatur hat die Definition des Gewichtsprozentanteils nicht geändert; sie hat den Materialbestand verändert.

Betriebliche Konsequenz

Gewichtsbasierte Berechnungen sind oft die robusteste Basis für Stoffbilanzen von Flüssigkeiten und Feststoffen in Pilotanlagen. Die Betreiber müssen jedoch dennoch die Temperatur aufzeichnen, da die Temperatur die Dichte und damit die Umrechnung zwischen gemessenem Volumen und Masse beeinflusst.

Auswirkung auf Molprozent

Molprozent ist normalerweise temperaturunabhängig

Molprozent wird wie folgt berechnet:

[ x_i = \frac{n_i}{\sum_j n_j} \times 100 ]

Für ein Gasgemisch lautet die äquivalente Notation:

[ y_i = \frac{n_i}{\sum_j n_j} \times 100 ]

Wenn keine Reaktion, kein Phasenübergang oder selektiver Verlust auftritt, ändern Temperaturänderungen nicht die Anzahl der Mole jeder Komponente. Der Molprozentanteil bleibt daher konstant.

Für ein ideales Gasgemisch ist der Partialdruck:

[ p_i = y_i P ]

Bei konstantem Gesamtdruck und konstanter Zusammensetzung ändert eine Temperaturänderung (y_i) nicht, sodass sich auch die aus diesem Molenbruch berechneten Partialdrücke der Komponenten nicht ändern.

Die Temperatur kann die gemessene oder tatsächliche Zusammensetzung indirekt verändern

Der Molprozentanteil kann sich ändern, wenn die Temperatur die Materialverteilung oder die Chemie des Systems verändert. Wichtige Beispiele sind:

Reaktionsgeschwindigkeiten und Gleichgewichte, die sich mit der Temperatur ändern
Kondensation oder Verdampfung, die selektiv Komponenten aus einem Gas entfernen
Gasabsorption, die sich mit der Lösungsmitteltemperatur ändert
Desorption, bei der zuvor gelöste Stoffe freigesetzt werden
Molekulare Dissoziation oder Assoziation unter Prozessbedingungen

In einer Absorptions-Pilotanlage kann beispielsweise eine Erhöhung der Temperatur die Löslichkeit einiger Gase im Lösungsmittel verringern. Das den Absorber verlassende Gas kann dann mehr vom gelösten Stoff enthalten, obwohl die Zusammensetzung des Einlassgases unverändert blieb.

Betriebliche Konsequenz

Molprozent ist die bevorzugte Basis für Berechnungen von Gasphasenreaktionen, Gleichgewichten und Partialdrücken. Die Temperatur muss dennoch in Durchfluss- und Dichteberechnungen einbezogen werden, da derselbe molare Durchfluss bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken unterschiedliche Volumina einnimmt.

Auswirkung auf Volumenprozent bei Gasen

Gasvolumenanteile entsprechen meist Molenbrüchen

Für ein ideales Gasgemisch bei gleicher Temperatur und gleichem Druck gilt:

[ \frac{V_i}{V_{\text{total}}}

\frac{n_i}{n_{\text{total}}} ]

Daher:

[ \text{Vol%} \approx \text{Mol%} ]

Wenn die Gaszusammensetzung unverändert bleibt, führt das Erhitzen des gesamten Gemisches dazu, dass sich sowohl die Volumina der Komponenten als auch das Gesamtvolumen proportional ausdehnen. Der Volumenprozentanteil bleibt annähernd konstant.

Temperaturänderungen beeinflussen Gasdurchfluss und Dichte

Obwohl der Volumenprozentanteil des Gases stabil bleiben mag, gilt dies nicht für den Volumenstrom des Stroms.

Für ein ideales Gas gilt:

[ V \propto \frac{T}{P} ]

Für zwei Zustände gilt:

[ V_2 = V_1 \left(\frac{P_1}{P_2}\right) \left(\frac{T_2}{T_1}\right) ]

Temperaturen müssen absolute Werte in Kelvin oder Rankine sein.

Bei konstantem Druck nimmt ein heißeres Gas mehr Volumen ein und hat eine geringere Dichte. Ein Durchflussmesser, der den tatsächlichen Volumenstrom anzeigt, kann daher einen anderen Volumenstrom anzeigen, selbst wenn der Massenstrom und der Molstrom unverändert sind.

Warum dies bei Belüftung und Gaszufuhr wichtig ist

Wenn ein Belüftungssystem einen festen Volumenstrom an Luft liefert, verringert das Erhitzen der Luft die pro Zeiteinheit gelieferte Masse und molare Menge. Die Mikroorganismen erhalten möglicherweise weniger Sauerstoff, obwohl der angezeigte Volumenstrom unverändert bleibt.

Gasströme in Pilotanlagen sollten daher als tatsächliche, Standard- oder Norm-Volumenströme unter Angabe der zugehörigen Temperatur und des Drucks identifiziert werden.

Auswirkung auf Volumenprozent bei Flüssigkeiten

Flüssigkeitsvolumenprozent ist temperaturabhängig

Flüssigkeitsvolumenprozent werden üblicherweise unter Verwendung von Komponenten- oder Lösungsvolumina ausgedrückt:

[ \text{Vol%}i = \frac{V_i}{V{\text{referenz}}} \times 100 ]

Im Gegensatz zu idealen Gasvolumina sind Flüssigkeitskomponentenvolumina im Allgemeinen nicht additiv. Mischen kann zu Volumenkontraktion oder -ausdehnung führen, und jede reine Komponente sowie das endgültige Gemisch können ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten aufweisen.

Folglich kann dieselbe Flüssigkeitsformulierung bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche angegebene Volumenprozentanteile aufweisen.

Referenztemperatur ist wesentlich

Eine flüssige Volumenkonzentration sollte mit einer Referenzbedingung angegeben werden, wie zum Beispiel:

Volumenprozent bei (20^\circ\text{C})
Volumenprozent bei (60^\circ\text{F})
Tatsächliche Volumenprozent bei Betriebstemperatur

Ohne eine Referenztemperatur können zwei scheinbar unterschiedliche Ergebnisse dasselbe Material darstellen, das bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen wurde.

Dichtekorrekturen verbinden Volumen mit Masse

Der Flüssigkeitsmassenstrom wird berechnet aus:

[ \dot{m} = \rho \dot{V} ]

Wenn die Temperatur steigt, dehnen sich die meisten Flüssigkeiten aus und ihre Dichte nimmt ab. Wenn eine Pilotanlage eine unkorrigierte Volumenstrommessung zur Berechnung des Massenstroms verwendet, kann die Stoffbilanz falsch sein, selbst wenn der Durchflussmesser selbst korrekt funktioniert.

Dies ist besonders wichtig bei Wärmetauscher-Trainern, temperaturgeregelten Reaktoren, Flüssigkeitszufuhrsystemen und Mischvorgängen.

Verständnis der Kompromisse

Stabile Zusammensetzung bedeutet nicht stabile Prozessleistung

Ein Strom kann denselben Gewichts- oder Molprozentanteil beibehalten, während sich seine Dichte, Viskosität, Phasengleichgewicht und Volumenstrom erheblich ändern.

Diese Eigenschaftsänderungen beeinflussen Pumpen, Mischen, Wärmeübertragung, Druckabfall, Verweilzeit, Gaszufuhr und Stoffübertragungsleistung.

Temperatur kann Phasenänderungen auslösen

Die Temperaturunabhängigkeit von Gewichts- und Molprozentanteilen gilt nur, solange das relevante Material im selben definierten Strom und in derselben Phase verbleibt.

Wenn ein Gas kondensiert, eine Flüssigkeit verdampft oder ein gelöstes Gas aus der Lösung entweicht, ändert sich die Zusammensetzung jeder Phase. Die Gesamtzusammensetzung des geschlossenen Systems mag konstant bleiben, aber die an einem bestimmten Auslass gemessene Zusammensetzung kann sich erheblich ändern.

Äquivalenz idealer Gase hat Grenzen

Die Äquivalenz zwischen Gasvolumenprozent und Molprozent ist für das Verhalten idealer Gase am zuverlässigsten, insbesondere bei niedrigen oder mäßigen Drücken.

Bei erhöhten Drücken oder nahe Kondensationsbedingungen sollten die Nichtidealität des Gases und das Phasenverhalten berücksichtigt werden. Gasanalysen und Durchflussmessungen sollten dann unter Verwendung geeigneter Zustandsgleichungen oder instrumentspezifischer Kalibrierungsdaten korrigiert werden.

Temperaturmessfehler wird zum Bilanzfehler

Ein kleiner Temperaturfehler kann einen signifikanten Fehler verursachen, wenn Gasströme auf Standardbedingungen oder Flüssigkeitsvolumina auf Massenströme umgerechnet werden.

Verfahren in Pilotanlagen sollten die Temperatur und den Druck am Messort aufzeichnen, nicht nur den Sollwert des Reaktors. Die Messbedingungen können aufgrund von Wärmeverlust, Begleitheizung oder lokalen Gradienten von der Prozesstemperatur abweichen.

Anwendung auf Ihre Pilotanlage

Die Temperatur sollte als erforderliche Bedingung für die Interpretation von Durchfluss- und Konzentrationsdaten behandelt werden, selbst wenn die gewählte Zusammensetzungskennzahl theoretisch temperaturunabhängig ist.

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Stoffbilanzen von Flüssigkeiten liegt: Verwenden Sie nach Möglichkeit Gewichtsprozent oder Massenstrom und wenden Sie temperaturabhängige Dichtekorrekturen an, wenn Messungen volumetrisch sind.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Gasreaktionen oder Gleichgewichten liegt: Verwenden Sie Molprozent für Stöchiometrie und Partialdrücke, während Sie Gasdurchflussraten mit der gemessenen absoluten Temperatur und dem Druck umrechnen.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf flüssigen Volumenformulierungen liegt: Geben Sie die Referenztemperatur explizit an und berücksichtigen Sie Gemischausdehnung, Kontraktion und nicht-additive Komponentenvolumina.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Belüftung oder Gaszufuhr liegt: Setzen Sie einen konstanten tatsächlichen Volumenstrom nicht mit einem konstanten Sauerstoffmassenstrom gleich; korrigieren Sie den Durchfluss für Temperatur und Druck.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Absorption oder Phasentrennung liegt: Bewerten Sie die temperaturabhängige Löslichkeit und das Phasengleichgewicht, da sich die Auslasszusammensetzung ändern kann, auch wenn die Einlasszusammensetzung dies nicht tut.

Mit expliziten Temperatur- und Druckbedingungen können Konzentrationsdaten aus Pilotanlagen konsistent verglichen und in zuverlässige Stoff- und Energiebilanzen umgerechnet werden.

Zusammenfassungstabelle:

Kennzahl	Typischer Temperatureffekt	Wichtige Überlegung für Pilotanlagen
Gewichtsprozent	Normalerweise unverändert in einem geschlossenen, stabilen Strom	Ändert sich indirekt durch Verdampfung, Kondensation, Reaktion, Ausfällung oder Materialverlust
Molprozent	Normalerweise unverändert ohne Reaktion oder Phasenübergang	Temperatur beeinflusst Gleichgewicht, Absorption, Verdampfung und Auslasszusammensetzung
Gasvolumenprozent	Annähernd gleich Molprozent bei idealen Gasen	Zusammensetzung bleibt ähnlich, aber tatsächlicher Durchfluss und Dichte ändern sich mit Temperatur und Druck
Flüssigkeitsvolumenprozent	Temperaturabhängig aufgrund thermischer Ausdehnung und nicht-additiver Mischvolumina	Geben Sie die Referenztemperatur an und wenden Sie Dichtekorrekturen an
Volumenstrom	Ändert sich mit Temperatur- und Druckänderungen	Unterscheiden Sie zwischen tatsächlichen, Standard- und Norm-Durchflussbedingungen
Prozessleistung	Kann sich trotz stabiler Zusammensetzungskennzahlen ändern	Berücksichtigen Sie Auswirkungen auf Viskosität, Verweilzeit, Wärmeübertragung, Mischen und Stoffübertragung

Benötigen Sie zuverlässige Konzentrations-, Durchfluss- und Temperaturdaten für Ihre Pilotanlage? Kontaktieren Sie LABPARK, um Ihre Anwendung zu besprechen. LABPARK bietet Pilotanlagen für die Ausbildung und Berufsbildung in den Bereichen Chemieingenieurwesen, Bioprozess- und Biotechnologie sowie Umwelt- und Wasseraufbereitung. Unsere Systeme helfen Universitäten, Forschungsinstituten und Unternehmen dabei, temperaturabhängige Dichte-, Durchfluss-, Phasenverhaltens-, Gaszufuhr-, Absorptions-, Reaktions- und Stoffbilanzleistungen mit praktischen, prozessorientierten Schulungs- und Testgeräten zu bewerten.