Die vorgelagerte Dampfkondensation verändert den Zulauf zum Absorber, bevor die Absorption beginnt. Wenn ein heißes Gasgemisch in einem vorgeschalteten Wärmetauscher abgekühlt wird, wird kondensierbarer Dampf flüssig und verlässt die Gasphase. Der Absorber erhält daher einen geringeren Gesamtgasstrom, ein anderes durchschnittliches Molekulargewicht und veränderte Konzentrationen der gelösten Stoffe. Deshalb müssen die Stoffbilanz, das Gas-Flüssigkeits-Verhältnis, der Abscheidegrad und die Auslegungsberechnungen vollständig aktualisiert werden.

Die Absorberbilanz muss auf dem Gas basieren, das nach der Kondensation verbleibt, nicht auf dem ursprünglichen Heißgaszulauf. Berechnen Sie die kondensierte Menge bei den Austrittsbedingungen des Wärmetauschers, entfernen Sie sie aus dem Gasphasenstrom und rechnen Sie anschließend den verbleibenden Gasstrom auf die Betriebstemperatur und den Betriebsdruck des Absorbers um.

Warum Kondensation den Zulauf zum Absorber verändert

Kondensation entfernt Stoff aus der Gasphase

Bei der Austrittstemperatur und dem Austrittsdruck des Wärmetauschers kann eine kondensierbare Komponente ihren Gleichgewichtsdampfdruck überschreiten. Der Überschuss verlässt die Gasphase als Flüssigkeit.

Für eine einfache Berechnung wird die kondensierte Menge aus der eingehenden Dampfmenge und dem Dampf bestimmt, der bei den Gleichgewichtsbedingungen am Austritt verbleibt:

[ n_{\text{condensed}} = n_{\text{vapor,in}} - n_{\text{vapor,out}} ]

Die am Austritt verbleibende Dampfmenge sollte auf der Austrittstemperatur und dem Austrittsdruck des Wärmetauschers basieren und nicht allein auf der Eintrittszusammensetzung.

Der molare Gesamtgasstrom nimmt ab

Der Gasstrom nach der Abkühlung beträgt:

[ n_{\text{gas,out}} = n_{\text{gas,in}} - n_{\text{condensed}} ]

Dieser reduzierte Strom ist der tatsächliche Gaszulauf zum Absorber, sofern die kondensierte Flüssigkeit vor dem Eintritt in die Kolonne entfernt wird.

Die Änderung kann erheblich sein, wenn das ursprüngliche Gas eine große Menge Wasserdampf oder eine andere kondensierbare Trägerkomponente enthält.

Die Gaszusammensetzung wird neu normiert

Die Entfernung einer Komponente als Flüssigkeit verändert deren Molenbruch in der Gasphase und die relative Konzentration jeder im Gas verbleibenden Komponente.

Für die Komponente (i) gilt:

[ y_{i,\text{absorber}} = \frac{n_{i,\text{gas,out}}} {n_{\text{gas,out}}} ]

Das bedeutet, dass die Zusammensetzung des Absorberzulaufs nicht einfach durch Übernahme der ursprünglichen Eintrittsmolenbrüche in den nachgeschalteten Prozess bestimmt werden kann.

So wird die sequenzielle Bilanz durchgeführt

Mit dem Heißgaseintritt beginnen

Definieren Sie den Zulauf auf einer einheitlichen Basis, beispielsweise in Kilomol pro Stunde:

[ n_{\text{in}} = n_{\text{condensable,in}} + n_{\text{absorber-solute,in}} + n_{\text{inert,in}} ]

Der Absorberlösestoff kann Ammoniak, ein saures Gas oder eine andere chemisch reaktive Spezies sein. Inertgase und nicht kondensierbare Komponenten verbleiben bei einer gewöhnlichen vorgelagerten Abkühlung im Allgemeinen in der Gasphase.

Den nach der Abkühlung verbleibenden Dampf bestimmen

Verwenden Sie die Austrittstemperatur und den Austrittsdruck des Wärmetauschers, um zu bestimmen, wie viel kondensierbarer Dampf im Gleichgewicht mit der Flüssigphase verbleiben kann.

Für Wasser kann beispielsweise der Partialdruck des austretenden Dampfes den Sättigungsdruck bei der Austrittstemperatur nicht überschreiten, wenn flüssiges Wasser vorhanden ist:

[ p_{\text{water}} = y_{\text{water}}P ]

Wenn der berechnete Partialdruck den Sättigungsdruck überschreitet, tritt Kondensation auf, bis die Gleichgewichtsbedingung erfüllt ist.

Bei einer genaueren Auslegung können Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsdaten für das vollständige Gasgemisch erforderlich sein, insbesondere wenn Ammoniak, saure Gase oder andere lösliche Spezies vorhanden sind.

Die kondensierte Flüssigkeit entfernen

Die kondensierte Menge wird aus dem Gasstrom entfernt:

[ n_{\text{liquid}} = n_{\text{condensed}} ]

Die verbleibenden Mengen der Komponenten in der Gasphase werden anschließend als Absorberzulauf verwendet. Der Flüssigkeitsproduktstrom kann außerdem in einen Massenstrom umgerechnet werden:

[ \dot{m}{\text{liquid}} = n{\text{liquid}}MW_{\text{liquid}} ]

Diese Flüssigkeit kann wasserreich sein, aber auch gelösten oder mitgerissenen Absorberlösestoff enthalten.

Das durchschnittliche Molekulargewicht neu berechnen

Das durchschnittliche Molekulargewicht des Gases verändert sich nach der Kondensation:

[ \overline{MW}_{\text{gas}} = \sum_i y_iMW_i ]

Dies beeinflusst die Umrechnung in den Massenstrom, die Gasdichte, die oberflächliche Geschwindigkeit und die Auslegung der Apparate.

Wenn nach der Entfernung einer wesentlichen Dampfkomponente das ursprüngliche durchschnittliche Molekulargewicht beibehalten wird, können inkonsistente Massen- und Volumenströme entstehen.

Den Gasstrom auf die Absorberbedingungen umrechnen

Der in den Absorber eintretende Gasstrom muss von der Basis am Austritt des Wärmetauschers auf die Betriebsbedingungen des Absorbers angepasst werden:

[ \dot{V}_{2}

\dot{V}{1} \left(\frac{T{2}}{T_{1}}\right) \left(\frac{P_{1}}{P_{2}}\right) ]

Für nichtideale Gase ist die Korrektur mit dem Kompressibilitätsfaktor einzubeziehen:

[ \dot{V}_{2}

\dot{V}{1} \left(\frac{T{2}}{T_{1}}\right) \left(\frac{P_{1}}{P_{2}}\right) \left(\frac{Z_{2}}{Z_{1}}\right) ]

Die Temperaturen müssen absolut angegeben werden, und die Drücke müssen auf einer einheitlichen absoluten Basis beruhen.

Wie die Absorberbilanz beeinflusst wird

Die Stoffbilanz auf der Gasseite beginnt mit einer neuen Zulaufbedingung

Für einen Lösestoff, der vom Gas in die Flüssigkeit übergeht, gilt:

[ n_{\text{solute,in}}

n_{\text{solute,out}} + n_{\text{solute,absorbed}} ]

Der Eintrittsterm muss den Lösestoffstrom nach der vorgelagerten Kondensation darstellen. Wenn der Lösestoff selbst gasförmig bleibt, kann sein absoluter Molenstrom annähernd unverändert sein; sein Molenbruch steigt jedoch, wenn eine größere Menge Trägerdampf entfernt wurde.

Das Gas-Flüssigkeits-Verhältnis verändert sich

Das Gas-Flüssigkeits-Verhältnis des Absorbers basiert auf dem angepassten Gasstrom und dem tatsächlichen Absorptionsmittelstrom:

[ \frac{G}{L}

\frac{\text{gas flow entering absorber}} {\text{liquid absorbent flow}} ]

Durch Kondensation sinkt (G) gewöhnlich, sofern das Kondensat nicht gezielt mit der Absorptionsflüssigkeit vereinigt wird. Dadurch verändert sich die Betriebslinie, und der erforderliche Umlaufstrom des Lösungsmittels kann beeinflusst werden.

Die Lösestoffkonzentration kann steigen oder sinken

Wenn nur ein Trägerdampf wie Wasser kondensiert, enthält das verbleibende Gas einen höheren Molenbruch des nicht kondensierbaren Lösestoffs. Dadurch kann die scheinbare Lösestoffbeladung am Eintritt in den Absorber steigen, obwohl sich der absolute Molenstrom des Lösestoffs nicht verändert hat.

Wenn der Lösestoff ebenfalls kondensiert, sich im Kondensat löst oder durch Mitreißen entfernt wird, nimmt sein Molenstrom in der Gasphase ab. Die Absorberbilanz muss diese vorgelagerte Entfernung dann ausdrücklich berücksichtigen.

Die Auslegung des Absorbers kann sich ändern

Der Gasstrom beeinflusst den Kolonnendurchmesser über die oberflächliche Gasgeschwindigkeit und die Flutgrenzen. Ein geringeres Gasvolumen reduziert im Allgemeinen die erforderliche Querschnittsfläche, aber die veränderte Lösestoffkonzentration und der thermodynamische Antrieb können die erforderliche Packungshöhe, die Anzahl der Böden, die Lösungsmittelzirkulation oder den Wärmeabfuhrbedarf verändern.

Die korrekte Grundlage für die Auslegung ist daher der Gasstrom und die Zusammensetzung am Absorbereintritt und nicht der ursprüngliche Heißgaszustand.

Wechselwirkung mit der Wärmetauscherleistung

Kondensation trägt zur Wärmeleistung bei

Bei der Kondensation von Dampf führt der Wärmetauscher sowohl fühlbare als auch latente Wärme ab:

[ Q = Q_{\text{sensible}} + Q_{\text{latent}} ]

Der latente Anteil beträgt näherungsweise:

[ Q_{\text{latent}} = n_{\text{condensed}}\Delta H_{\text{vap}} ]

Das Ignorieren dieses Terms kann die erforderliche Kühlleistung unterschätzen und die erreichbare Austrittstemperatur falsch darstellen.

Der Flüssigkeitsaustritt muss berücksichtigt werden

Der Wärmetauscher kann zwei Austrittsphasen erzeugen: ein abgekühltes Gas und ein Kondensat. Ein nachgeschalteter Abscheider, ein Tropfenabscheider oder ein geeigneter Ablauf ist erforderlich, wenn das Kondensat nicht in den Absorber gelangen soll.

Wenn Flüssigkeit mitgerissen wird, ist der Absorberzulauf kein trockener Gasstrom. Die Bilanz muss die in die Kolonne eintretende Flüssigkeit und jeden darin gelösten Lösestoff enthalten.

Kondensation beeinflusst Messungen in Pilotanlagen

Durchflussmesser können den Strom bei unterschiedlichen Bezugsbedingungen anzeigen, während Nassgas- und Trockengasmessungen auf unterschiedlichen Grundlagen beruhen können. Kondensation zwischen Messstellen kann scheinbare Abweichungen verursachen, sofern nicht jeder Strom auf dieselbe Temperatur-, Druck- und Feuchtebasis gebracht wird.

Bei Pilotversuchen sind die Austrittstemperatur des Wärmetauschers, der Druck, die Kondensatmenge, die Basis des Gasstroms sowie die Information zu dokumentieren, ob das gemessene Gas nass oder trocken ist.

Die Zielkonflikte verstehen

Annehmen, dass der gesamte kondensierbare Dampf entfernt wird

Eine Abkühlung unter die Sättigungstemperatur einer Komponente bedeutet nicht notwendigerweise deren vollständige Entfernung. Das austretende Gas enthält weiterhin die Gleichgewichtsmenge an Dampf, sofern nicht ein zusätzlicher Kondensator, Abscheider oder Trocknungsschritt diesen entfernt.

Verwenden Sie die Gleichgewichtsbedingung am Austritt, um den verbleibenden Dampf zu berechnen.

Das Kondensat als reines Lösungsmittel behandeln

Kondensat kann absorbiertes Ammoniak, saures Gas, gelöste Salze oder mitgerissene Tropfen enthalten. Wird es als reines Wasser behandelt, kann dies den zum Absorber gelangenden Lösestoffstrom überschätzen und die Konzentration des Flüssigprodukts unterschätzen.

Analysieren oder schätzen Sie die Zusammensetzung des Kondensats, wenn der Lösestoff sehr gut löslich oder reaktiv ist.

Volumetrische Zusammensetzungen ohne einheitliche Basis verwenden

Molenbrüche auf Nassbasis, Molenbrüche auf Trockenbasis, tatsächlicher Volumenstrom und Standardvolumenstrom sind nicht austauschbar. Eine Vermischung dieser Grundlagen kann sowohl die Bilanzen des Wärmetauschers als auch des Absorbers ungültig machen.

Führen Sie die Stoffbilanz zunächst in molaren Einheiten durch und rechnen Sie anschließend bei den erforderlichen Bedingungen in Masse oder Volumen um.

Annehmen, dass Kondensation die Absorberleistung immer verbessert

Ein geringerer Gasstrom kann die Kolonnengröße und den Lösungsmittelbedarf reduzieren, aber eine höhere Lösestoffkonzentration kann die lokale Beladung erhöhen und den Absorptionsantrieb verändern. Kondensation kann außerdem zu Verstopfung, Korrosion, Fluten oder Problemen bei der Flüssigkeitsverteilung führen, wenn die Flüssigkeit nicht ordnungsgemäß abgeschieden und gehandhabt wird.

Die nachgeschaltete Ausrüstung muss sowohl anhand des angepassten Durchflusses als auch anhand der angepassten Zusammensetzung bewertet werden.

Auswirkungen der Absorbertemperatur ignorieren

Der Absorber kann bei einer anderen Temperatur als der Austritt des Wärmetauschers betrieben werden. Löslichkeit, Reaktionsgleichgewicht, Dampfdruck und Gasvolumen können sich zwischen diesen Stellen verändern.

Die Absorberbilanz sollte daher mit den tatsächlichen Eintrittsbedingungen des Absorbers beginnen und jede Wiedererwärmung, weitere Abkühlung, Verdampfung oder Flüssigkeitszugabe zwischen den Einheiten berücksichtigen.

So wenden Sie dies auf Ihre Pilotanlage an

Verwenden Sie eine sequenzielle Berechnung, die dem physikalischen Weg des Stroms vom Wärmetauscher zum Absorber folgt.

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Wärmetauscherleistung liegt: Berechnen Sie den kondensierten Dampf anhand der Gleichgewichtsbedingung am Austritt und berücksichtigen Sie dessen latente Wärme in der Kühlleistungsbilanz.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Auslegung des Absorbers liegt: Entfernen Sie das Kondensat, berechnen Sie den molaren und volumetrischen Gasstrom bei den Absorberbedingungen neu und verwenden Sie diesen angepassten Strom für die hydraulische Auslegung.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Entfernung des Lösestoffs liegt: Verfolgen Sie den Lösestoff im Gas, im Kondensat und in der Absorberflüssigkeit getrennt, damit eine vorgelagerte Lösung oder Kondensation nicht fälschlicherweise dem Absorber zugerechnet wird.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Abgleich von Pilotanlagendaten liegt: Bringen Sie jede Messung vor dem Vergleich der Ströme auf eine einheitliche molare, Temperatur-, Druck- und Nass-/Trockenbasis.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Rückgewinnung des Flüssigprodukts liegt: Messen oder schätzen Sie die Zusammensetzung des Kondensats und berücksichtigen Sie jeden gelösten Absorberlösestoff in der Flüssigproduktbilanz.

Eine zuverlässige Absorberauslegung beginnt mit dem Strom, der den Absorber nach der vorgelagerten Kondensation tatsächlich erreicht, und nicht mit dem ursprünglichen Heißgaszulauf.

Zusammenfassungstabelle:

Bereich	Auswirkung der vorgelagerten Kondensation	Erforderliche Maßnahme
Gasstrom	Der molare Gesamtgasstrom nimmt ab	Kondensierten Dampf entfernen, bevor der Absorberzulauf berechnet wird
Gaszusammensetzung	Die Molenbrüche des verbleibenden Lösestoffs können steigen	Zusammensetzung der Gasphase neu berechnen
Molekulargewicht	Das durchschnittliche Molekulargewicht des Gases verändert sich	Massenstrom, Dichte und Geschwindigkeit aktualisieren
Gas-Flüssigkeits-Verhältnis	Gasstrom und Lösungsmittelbedarf können sich verändern	Betriebslinie und Lösungsmittelstrom neu berechnen
Auslegung des Absorbers	Durchmesser, Packungshöhe oder Anzahl der Böden können sich verändern	Strom und Zusammensetzung bei den Absorbereintrittsbedingungen verwenden
Wärmetauscherleistung	Kondensation fügt latente Wärmeleistung hinzu	Fühlbare und latente Wärme in der Bilanz berücksichtigen
Flüssigkeitsmanagement	Das Kondensat kann gelösten Lösestoff oder mitgerissene Tropfen enthalten	Einen Abscheider verwenden und die Kondensatzusammensetzung verfolgen
Pilotmessungen	Unterschiede zwischen Nass-/Trockenbasis und Bezugsbedingungen können die Ergebnisse verfälschen	Alle Ströme auf einer einheitlichen molaren Basis abgleichen

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