Das Verfahren besteht darin, Gesamt- und Komponentenbilanzen um den Absorber herum aufzustellen, wobei ein inertes Trägergas als Referenz für den Fluss dient. Messen Sie die Gasein- und -austrittszusammensetzungen, den Druck, die Temperatur und die Strömungsbedingungen; berechnen Sie den molaren Inertgasstrom; leiten Sie den gesamten Gasaustrittsstrom aus dem unveränderten Inertstrom ab; bestimmen Sie dann die Stoffabscheidung, die Flüssigkeitsaufnahme und den Lösungsmittelbedarf. Kombinieren Sie diese Bilanzen für die Auslegung oder Leistungsanalyse mit Phasengleichgewichtsdaten und hydrodynamischen Grenzwerten.

Wichtigste Erkenntnis: In einem Absorber im stationären Zustand wechselt die lösliche Komponente die Phase, während das inerte Trägergas eine konservierte Basis für die Berechnung unbekannter Stromflüsse bietet. Genaue Ergebnisse hängen von konsistenten Zusammensetzungsdefinitionen, korrekten Gasvolumenumrechnungen und einer klaren Unterscheidung zwischen physikalischer Absorption und chemischer Reaktion ab.

Festlegung des Systems und der Messbasis

Definieren Sie die Absorbergrenze

Zeichnen Sie ein Kontrollvolumen um die gesamte Gasabsorptionskolonne. Identifizieren Sie die Gasein- und -austrittsströme, die Flüssigkeitsein- und -austrittsströme, die lösliche Gaskomponente (A), den inerten Träger (I) sowie alle zusätzlichen Spezies oder Ergänzungsströme.

Bei einem Gegenstrom-Füllkörperkolonne strömt das Gas nach oben, während das flüssige Lösungsmittel nach unten fließt. Die Bilanz kann auf die gesamte Kolonne oder bei der Bewertung des lokalen Stofftransports auf differenzielle Abschnitte angewendet werden.

Bestätigen Sie den stationären Betrieb

Verwenden Sie stationäre Bilanzen erst, nachdem sich Gas- und Flüssigkeitsdurchflussraten, Temperaturen, Drücke und Zusammensetzungen stabilisiert haben. Transiente Anfahrdaten können zu scheinbaren Stoffbilanzfehlern führen, da sich der Kolonneninhalt ändert.

Stellen Sie sicher, dass keine ungemessenen Leckagen, Verluste durch Flüssigkeitsmitriss, Kondensationseffekte oder Lösungsmittelverdampfung vorliegen, die die Bilanz wesentlich beeinflussen würden.

Wählen Sie eine konsistente Zusammensetzungsbasis

Die Gaszusammensetzung kann als Molenbruch, Volumenprozent oder ppm nach Volumen angegeben werden. Für ideale Gase sind diese auf molarer Basis äquivalent:

[ y_A = \frac{\dot n_A}{\dot n_G} ]

Die Flüssigkeitszusammensetzung kann als Molenbruch, Massenbruch oder Molalität ausgedrückt werden:

[ x_A = \frac{\dot n_A}{\dot n_L} ]

Kombinieren Sie Gas-Molenbrüche nicht mit Flüssigkeits-Massenbrüchen in derselben Gleichung, ohne die notwendigen Umrechnungen der Molmasse anzuwenden.

Berechnung des Inertgasstroms

Bestimmen Sie den Inertstrom am Eintritt

Wenn die volumetrische Durchflussrate des Eintrittsgases bekannt ist, berechnen Sie den gesamten molaren Eintrittsstrom mithilfe der idealen Gasbeziehung:

[ \dot n_{G,\text{in}} = \frac{P_{\text{in}}\dot V_{\text{in}}}{Z_{\text{in}}RT_{\text{in}}} ]

Hierbei ist (P) der absolute Druck, (\dot V) die volumetrische Durchflussrate, (T) die absolute Temperatur, (R) die Gaskonstante und (Z) der Kompressibilitätsfaktor.

Setzen Sie für ein ideales Gas (Z=1).

Der Inertgasstrom am Eintritt ist dann:

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

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

Wenn die Eintrittszusammensetzung nur Inertgas und gelösten Stoff (A) enthält,

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

Wenden Sie die Bilanz der inerten Komponente an

Wenn das Inertgas nicht nennenswert gelöst, reagiert oder kondensiert wird,

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

Dies ist die Schlüsselbeziehung für die Absorptionsanalyse. Der gesamte Gasstrom nimmt normalerweise ab, wenn der gelöste Stoff in die Flüssigkeit übergeht, aber der molare Inertstrom bleibt konstant.

Diese Methode ist im Allgemeinen zuverlässiger als die Annahme, dass der gesamte Gasstrom unverändert bleibt.

Bestimmung von Gasaustrittsstrom und Konzentration

Ableitung des gesamten Gasaustrittsstroms

Sobald die Konzentration des gelösten Stoffes am Austritt gemessen wurde, berechnen Sie den molaren Gasaustrittsstrom aus dem konservierten Inertstrom:

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

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

Für ein Gas, das nur aus inertem Träger (I) und gelöstem Stoff (A) besteht,

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

\frac{\dot n_{I,\text{in}}}{1-y_{A,\text{out}}} ]

Die molare Rate des gelösten Stoffes am Austritt ist:

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

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

Umrechnung des Austrittsstroms in einen volumetrischen Strom

Verwenden Sie den Austrittsdruck und die Austrittstemperatur:

[ \dot V_{\text{out}}

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

Ein volumetrischer Austrittsstrom kann sich aus zwei Gründen vom Eintrittswert unterscheiden: Der gelöste Stoff wurde entfernt, und das Gas kann Druck- oder Temperaturänderungen erfahren.

Korrektur der Berichtsbasis

Gasanalysatoren können Konzentrationen auf Basis von feuchtem, trockenem, tatsächlichem Volumen oder Standardvolumen angeben. Rechnen Sie Ein- und Austrittsmessungen auf dieselbe Basis um, bevor Sie die Inertbilanz anwenden.

Diese Korrektur ist besonders wichtig, wenn das Lösungsmittel verdampft oder wenn Wasserdampf in einem Wäscher vorhanden ist.

Durchführung der Stoffbilanz der Komponenten

Stoffbilanz des gelösten Stoffes um die Kolonne

Für den gelösten Stoff (A) lautet die molare Gesamtbilanz:

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

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

Die Raten der Gasphase am Ein- und Austritt sind:

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

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

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

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

Daher ist die Netto-Molarabsorptionsrate in die Flüssigkeit:

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

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

Wenn das eintretende Lösungsmittel vernachlässigbare Mengen an (A) enthält, ist dies auch der Anstieg des gelösten Stoffes in der Flüssigphase:

[ \dot n_{A,L,\text{out}}-\dot n_{A,L,\text{in}}

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

Umrechnung der Absorption in eine Massenrate

Die absorbierte Massenrate ist:

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

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

wobei (M_A) das Molekulargewicht des gelösten Stoffes ist.

Bei sauren Gasen oder reaktiven Systemen stellt diese Menge das Nettoverschwinden der Gaskomponente dar. Die chemische Form in der Flüssigphase kann von der ursprünglichen Gasspezies abweichen.

Berechnung der Abscheidung oder Rückgewinnung

Der Abscheidungsanteil der Gasphase ist:

[ \eta_A

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

Die prozentuale Abscheidung beträgt:

[ \%,\text{Abscheidung}=100\eta_A ]

Diese Berechnung sollte auf molaren Raten der Komponenten basieren, nicht einfach auf der Differenz zwischen den Konzentrationsprozentsätzen am Ein- und Austritt. Der gesamte Gasstrom ändert sich während der Absorption, daher können Konzentrationsunterschiede allein irreführend sein.

Vervollständigung der Gesamt- und Flüssigkeitsbilanzen

Gesamtstoffbilanz

Für den gesamten Absorber:

[ \dot m_{G,\text{in}}+\dot m_{L,\text{in}}

\dot m_{G,\text{out}}+\dot m_{L,\text{out}} ]

Oder bei konsistenter Verwendung molarer Mengen:

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

\dot n_{G,\text{out}}+\dot n_{L,\text{out}} ]

Die Gesamtbilanz sollte Lösungsmittelverdampfung, Wassertransfer, Reaktionsprodukte und jegliche mitgerissene Flüssigkeit enthalten, wenn diese Effekte signifikant sind.

Schätzung der Flüssigkeitszusammensetzung am Austritt

Wenn der Lösungsmittelfluss bekannt ist und die Konzentration des gelösten Stoffes in der eintretenden Flüssigkeit gemessen wurde, berechnen Sie die Flüssigkeitszusammensetzung am Austritt aus der Komponentenbilanz der Flüssigphase:

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

\dot n_{A,L,\text{in}} + \dot n_{A,\text{absorbed}} ]

Bestimmen Sie dann (x_{A,\text{out}}) unter Verwendung der gewählten Basis für die Flüssigkeitszusammensetzung.

Für Massenbrüche muss die Beziehung den gesamten Flüssigkeitsmassenstrom berücksichtigen:

[ w_{A,L,\text{out}}

\frac{\dot m_{A,L,\text{out}}} {\dot m_{L,\text{out}}} ]

Verwendung der Betriebslinienbeziehung

Für einen Abschnitt eines Gegenstromabsorbers steht die Steigung der Betriebslinie im Zusammenhang mit dem Flüssigkeits-Gas-Durchflussverhältnis. In einer vereinfachten Massenbruchformulierung:

[ \frac{w_{A,G,\text{out}}-w_{A,G,\text{in}}} {w_{A,L,\text{out}}-w_{A,L,\text{in}}}

-\frac{F_L}{F_G} ]

Die exakte Form hängt davon ab, ob gesamte Durchflussraten oder lösungsmittelfreie Durchflussraten verwendet werden. Bei Systemen mit nennenswertem Stofftransfer sind lösungsmittelfreie Koordinaten oft vorzuziehen, da die Inertgas- und Lösungsmittelträgerströme die konservierten Größen sind.

Ein hohes Flüssigkeits-Gas-Verhältnis erhöht im Allgemeinen die Absorptionskapazität, während ein niedriges Verhältnis dazu führt, dass das Lösungsmittel schneller die Sättigung erreicht.

Verknüpfung der Bilanz mit Gleichgewicht und Kolonnenleistung

Vergleich der Austrittsströme mit dem Gleichgewicht

Stoffbilanzen bestimmen, wie viel Stoff übertragen wurde. Sie bestimmen für sich genommen nicht, ob die Kolonne über ausreichend Kontaktfläche oder Höhe verfügt.

Vergleichen Sie gemessene Gas- und Flüssigkeitszusammensetzungen mit Gleichgewichtsdaten, wie z. B.:

[ y_A^* = f(x_A) ]

Der Abstand zwischen Betriebszustand und Gleichgewichtszustand zeigt die treibende Kraft für den Stofftransport an.

Schätzung des Lösungsmittelbedarfs

Die minimale Lösungsmitteldurchflussrate wird erreicht, wenn die Betriebslinie die Gleichgewichtsbeziehung an einem Grenzpunkt berührt. Gleichgewichtskorrelationen und Methoden wie der Kremser-Ansatz können dann die Anzahl der idealen Stufen oder den für eine Zielrückgewinnung benötigten Lösungsmittelfluss schätzen.

Eine praktische Betriebslösungsmittelrate muss das Minimum überschreiten, da der Betrieb am Minimum in einem Teil der Kolonne zu einer verschwindenden treibenden Kraft führt und eine unpraktisch große Kontaktfläche erfordert.

Bewertung hydrodynamischer Einschränkungen

Verwenden Sie die Gas- und Flüssigkeitsdurchflussraten, um festzustellen, ob die Kolonne innerhalb ihres hydraulischen Fensters arbeitet. Kolonnendurchmesser, Füllkörper- oder Bodendesign, Druckabfall, Flüssigkeitsinhalt und Flutgeschwindigkeit beeinflussen die nutzbare Kapazität.

Der Betrieb oberhalb der Flutgrenze kann zu Flüssigkeitsstau, starkem Anstieg des Druckabfalls, Mitreißen und instabilem Fluss führen. Eine Stoffbilanz, die korrekt erscheint, beweist keinen akzeptablen Kolonnenbetrieb, wenn der hydraulische Zustand ungeeignet ist.

Beziehung zwischen Abscheidung und Stofftransporteffizienz

Bei Füllkörperkolonnen kann die gemessene Abscheidung auf die Höhe einer Übertragungseinheit (HTU) oder HETP bezogen werden. Bei Bodenkolonnen kann sie auf theoretische Stufenanforderungen und Bodenwirkungsgrade bezogen werden.

Diese Leistungsmaße sollten auf tatsächlichen Betriebsdaten basieren, da Gleichgewichtsvorhersagen allein Mischen, Kanalbildung, Benetzung, Schaumbildung oder nicht-idealen Kontakt nicht erfassen.

Verständnis der Kompromisse

Gehen Sie nicht von einem konstanten Gesamtgasstrom aus

Der Inertträgerstrom kann konstant bleiben, während der molare Gesamtgasstrom abnimmt, wenn die lösliche Komponente absorbiert wird. Die Annahme eines konstanten Gesamtgasstroms kann die berechnete Austrittsrate des gelösten Stoffes und die Abscheidungseffizienz verfälschen.

Unterscheidung zwischen Absorption und Reaktion

Bei physikalischer Absorption tritt der gelöste Stoff als dieselbe chemische Spezies in die Flüssigkeit ein. Bei reaktiver Absorption, wie z. B. der Absorption von Schwefeltrioxid in Schwefelsäurelösungen, kann das Gas reagieren oder nach dem Eintritt in die Flüssigkeit weitere chemische Transformationen erfahren.

Die gesamte Komponentenbilanz gilt weiterhin, aber die Interpretation von Flüssigkeitszusammensetzung, Gleichgewicht und Lösungsmittelverbrauch erfordert die Reaktionsstöchiometrie und alle relevanten Reaktionskinetiken.

Vermeidung inkonsistenter Durchfluss- und Konzentrationseinheiten

Häufige Fehler sind das Mischen von Standard- und tatsächlichen volumetrischen Durchflussraten, die Verwendung von Überdruck anstelle von absolutem Druck und die Kombination von Gasdaten auf Trockenbasis mit Daten auf Nassbasis.

Jeder gemessene Strom sollte vor der Bilanzierung auf eine gemeinsame Basis umgerechnet werden.

Behandeln Sie die Inertgasannahme als testbare Annahme

Stickstoff oder ein anderes Trägergas ist nur dann als Referenz nützlich, wenn sein Verlust vernachlässigbar ist. Prüfen Sie auf Inertauflösung, Leckage, Kondensation, chemische Reaktion und Analysator-Bias.

Wenn die Inertbilanz nicht innerhalb der erwarteten Messunsicherheit schließt, untersuchen Sie die Messungen und Prozessannahmen, bevor Sie das Ergebnis für die Auslegung verwenden.

Erkennen Sie, dass ein geschlossenes Chargensystem anders ist

In einem kontinuierlichen Absorber werden Gas- und Flüssigkeitsträgerdurchflussraten normalerweise als Stromgrößen behandelt. In einem geschlossenen Chargen- oder Sprudelsystem ändern sich die Gas- und Flüssigkeitsbestände mit der Zeit, daher muss die Analyse Akkumulationsterme verwenden.

Die stationäre Betriebsliniengleichung kann nicht direkt auf ein instationäres Chargensystem angewendet werden.

Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen

Verwenden Sie die folgende Sequenz für eine fundierte Analyse:

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Komponentenabscheidung liegt: Berechnen Sie den molaren Inert-Eintrittsstrom, leiten Sie den gesamten Gasaustrittsstrom aus der Inertkonzentration am Austritt ab und vergleichen Sie die molaren Raten des gelösten Stoffes am Ein- und Austritt.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Lösungsmittelverbrauch liegt: Wenden Sie die Stoffbilanz auf die Flüssigkeitsströme an und beziehen Sie Lösungsmittelverdampfung, Reaktion und Ergänzungsbedarf ein, wo dies relevant ist.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Vorhersage des Austrittsstroms liegt: Verwenden Sie zuerst den konservierten Inertstrom und die Austrittszusammensetzung und rechnen Sie dann den resultierenden molaren Strom mit Austrittsdruck und -temperatur um.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Dimensionierung oder dem Betrieb der Kolonne liegt: Kombinieren Sie die Stoffbilanz mit Gleichgewichtsdaten, Lösungsmittel-Gas-Verhältnissen, Flutgrenzen, Druckabfall sowie Stufen- oder Füllkörpereffizienz.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Validierung von Pilotanlagendaten liegt: Schließen Sie die Inert-, Stoff-, Flüssigkeits- und Gesamtbilanzen und untersuchen Sie jede Diskrepanz, bevor Sie Effizienz- oder Scale-up-Parameter berechnen.

Eine verlässliche Absorberanalyse beginnt mit einer konservierten Inertbasis, berücksichtigt explizit den Stofftransfer und verknüpft dann die resultierenden Bilanzen mit Gleichgewicht, Hydraulik und Stofftransportleistung.

Zusammenfassungstabelle:

Analyseschritt	Wichtige Berechnung oder Prüfung	Ergebnis
System definieren	Gas, Flüssigkeit, gelöster Stoff, Inertträger und Betriebsbedingungen identifizieren	Klares Kontrollvolumen und Messbasis
Inertstrom berechnen	Eintrittsgasvolumen unter Verwendung von absolutem Druck, Temperatur, Kompressibilität und Zusammensetzung umrechnen	Konservierter molarer Inertgasstrom
Gasaustrittsstrom ableiten	Inertkonzentration am Austritt und Inertbilanz verwenden	Gesamt- und Stoffaustrittsraten des Gases
Stoffbilanz vervollständigen	Molare Raten des gelösten Stoffes am Ein- und Austritt vergleichen	Absorbierte Menge und Abscheidungseffizienz
Flüssigkeits- und Gesamtbilanzen vervollständigen	Lösungsmittelaufnahme, Verdampfung, Reaktion, Mitreißen und Ergänzung einbeziehen	Flüssigkeitszusammensetzung am Austritt und Bilanzschluss
Leistung bewerten	Vergleich mit Gleichgewicht, Lösungsmittel-Gas-Verhältnis, Druckabfall, Flutgrenzen und Übertragungseffizienz	Erkenntnisse für Auslegung oder Scale-up

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