La condensazione del vapore a monte modifica l'alimentazione dell'assorbitore prima che inizi l'assorbimento. Quando una miscela di gas caldo viene raffreddata in uno scambiatore di calore a monte, il vapore condensabile diventa liquido e lascia la fase gassosa. L'assorbitore riceve quindi un flusso di gas totale inferiore, un peso molecolare medio diverso e concentrazioni di soluto riviste; pertanto, il bilancio di massa, il rapporto gas-liquido, l'efficienza di rimozione e i calcoli di dimensionamento devono essere tutti aggiornati.
Il bilancio dell'assorbitore deve basarsi sul gas che rimane dopo la condensazione, non sull'alimentazione originale di gas caldo. Calcolare la quantità condensata alle condizioni di uscita dello scambiatore di calore, rimuoverla dal flusso in fase gassosa e quindi convertire il flusso di gas rimanente alla temperatura e pressione operative dell'assorbitore.
Perché la condensazione modifica l'alimentazione dell'assorbitore
La condensazione rimuove materiale dalla fase gassosa
Alla temperatura e pressione di uscita dello scambiatore di calore, un componente condensabile può superare la sua pressione di vapore di equilibrio. L'eccesso lascia la fase gassosa sotto forma di liquido.
Per un calcolo semplice, la quantità condensata viene determinata dalla quantità di vapore in ingresso e dal vapore rimanente alle condizioni di equilibrio in uscita:
[ n_{\text{condensed}} = n_{\text{vapor,in}} - n_{\text{vapor,out}} ]
La quantità di vapore in uscita dovrebbe basarsi sulla temperatura e pressione di uscita dello scambiatore di calore, piuttosto che sulla sola composizione in ingresso.
Il flusso molare totale del gas diminuisce
Il flusso di gas dopo il raffreddamento è:
[ n_{\text{gas,out}} = n_{\text{gas,in}} - n_{\text{condensed}} ]
Questo flusso ridotto è l'alimentazione di gas effettiva all'assorbitore, supponendo che il liquido condensato venga rimosso prima di entrare nella colonna.
Il cambiamento può essere sostanziale quando il gas originale contiene una grande quantità di vapore acqueo o un altro componente vettore condensabile.
La composizione del gas viene rinormalizzata
La rimozione del liquido da un componente modifica la sua frazione molare in fase gassosa e altera la concentrazione relativa di ogni componente rimanente nel gas.
Per il componente (i):
[ y_{i,\text{absorber}} = \frac{n_{i,\text{gas,out}}} {n_{\text{gas,out}}} ]
Ciò significa che la composizione dell'alimentazione dell'assorbitore non può essere ottenuta semplicemente trasportando a valle le frazioni molari di ingresso originali.
Come eseguire il bilancio sequenziale
Iniziare con l'ingresso del gas caldo
Definire il flusso in ingresso su una base coerente, come chilomoli all'ora:
[ n_{\text{in}} = n_{\text{condensable,in}} + n_{\text{absorber-solute,in}} + n_{\text{inert,in}} ]
Il soluto dell'assorbitore potrebbe essere ammoniaca, un gas acido o un'altra specie chimicamente reattiva. I gas inerti e i componenti non condensabili generalmente rimangono nella fase gassosa durante il normale raffreddamento a monte.
Determinare il vapore rimanente dopo il raffreddamento
Utilizzare la temperatura e la pressione di uscita dello scambiatore di calore per determinare quanto vapore condensabile può rimanere in equilibrio con la fase liquida.
Per l'acqua, ad esempio, la pressione parziale del vapore in uscita non può superare la pressione di saturazione alla temperatura di uscita quando è presente acqua liquida:
[ p_{\text{water}} = y_{\text{water}}P ]
Se la pressione parziale calcolata supera la pressione di saturazione, si verifica la condensazione finché non viene soddisfatta la condizione di equilibrio.
In una progettazione più rigorosa, il calcolo potrebbe richiedere dati di equilibrio vapore-liquido per l'intera miscela gassosa, specialmente quando sono presenti ammoniaca, gas acidi o altre specie solubili.
Rimuovere il liquido condensato
La quantità condensata viene rimossa dal flusso di gas:
[ n_{\text{liquid}} = n_{\text{condensed}} ]
Le quantità dei componenti in fase gassosa rimanenti vengono quindi utilizzate come ingresso dell'assorbitore. La portata del prodotto liquido può anche essere convertita in flusso di massa:
[ \dot{m}{\text{liquid}} = n{\text{liquid}}MW_{\text{liquid}} ]
Questo liquido può essere ricco di acqua, ma può anche contenere soluto dell'assorbitore disciolto o trascinato.
Ricalcolare il peso molecolare medio
Il peso molecolare medio del gas cambia dopo la condensazione:
[ \overline{MW}_{\text{gas}} = \sum_i y_iMW_i ]
Ciò influisce sulla conversione del flusso di massa, sulla densità del gas, sulla velocità superficiale e sui calcoli delle apparecchiature.
Un calcolo che mantiene il peso molecolare medio originale dopo aver rimosso un componente di vapore principale può produrre portate di massa e volumetriche incoerenti.
Convertire il flusso di gas alle condizioni dell'assorbitore
Il flusso di gas che entra nell'assorbitore deve essere adattato dalla base di uscita dello scambiatore di calore alle condizioni operative dell'assorbitore:
[ \dot{V}_{2}
\dot{V}{1} \left(\frac{T{2}}{T_{1}}\right) \left(\frac{P_{1}}{P_{2}}\right) ]
Per i gas non ideali, includere la correzione del fattore di comprimibilità:
[ \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) ]
Le temperature devono essere assolute e le pressioni devono utilizzare una base assoluta coerente.
Come viene influenzato il bilancio dell'assorbitore
Il bilancio di massa lato gas inizia da una nuova condizione di alimentazione
Per un soluto trasferito da gas a liquido:
[ n_{\text{solute,in}}
n_{\text{solute,out}} + n_{\text{solute,absorbed}} ]
Il termine di ingresso deve rappresentare il flusso di soluto dopo la condensazione a monte. Se il soluto stesso rimane gassoso, il suo flusso molare assoluto può essere approssimativamente invariato, ma la sua frazione molare aumenta quando è stata rimossa una quantità maggiore di vapore vettore.
Il rapporto gas-liquido cambia
Il rapporto gas-liquido dell'assorbitore si basa sul flusso di gas rivisto e sul flusso di assorbente effettivo:
[ \frac{G}{L}
\frac{\text{flusso di gas che entra nell'assorbitore}} {\text{flusso di assorbente liquido}} ]
La condensazione solitamente abbassa (G), a meno che il condensato non venga intenzionalmente combinato con il liquido dell'assorbitore. Ciò modifica la linea operativa e può influire sulla portata di circolazione del solvente richiesta.
La concentrazione del soluto può aumentare o diminuire
Se condensa solo un vapore vettore come l'acqua, il gas rimanente contiene una frazione molare più elevata di soluto non condensabile. Ciò può aumentare il carico apparente di soluto che entra nell'assorbitore, anche se il flusso molare assoluto di soluto non è cambiato.
Se anche il soluto condensa, si scioglie nel condensato o viene rimosso per trascinamento, il suo flusso molare in fase gassosa diminuisce. Il bilancio dell'assorbitore deve quindi includere esplicitamente tale rimozione a monte.
Il dimensionamento dell'assorbitore può cambiare
Il flusso di gas influisce sul diametro della colonna attraverso la velocità superficiale del gas e i limiti di inondazione (flooding). Un volume di gas inferiore generalmente riduce l'area della sezione trasversale richiesta, ma la concentrazione di soluto rivista e la forza motrice termodinamica possono modificare l'altezza dell'impaccamento, i requisiti dei piatti, la circolazione del solvente o le esigenze di rimozione del calore.
La base di dimensionamento corretta è quindi il flusso e la composizione del gas all'ingresso dell'assorbitore, non la condizione originale di gas caldo.
Interazione con le prestazioni dello scambiatore di calore
La condensazione contribuisce al carico termico
Quando il vapore condensa, lo scambiatore di calore rimuove sia il calore sensibile che il calore latente:
[ Q = Q_{\text{sensible}} + Q_{\text{latent}} ]
Il contributo latente è approssimativamente:
[ Q_{\text{latent}} = n_{\text{condensed}}\Delta H_{\text{vap}} ]
Ignorare questo termine può sottostimare il carico di raffreddamento richiesto e rappresentare in modo errato la temperatura di uscita raggiungibile.
L'uscita del liquido deve essere contabilizzata
Lo scambiatore di calore può produrre due fasi in uscita: un gas raffreddato e un condensato. È necessario un separatore a valle, un serbatoio di raccolta (knockout drum) o uno scarico progettato correttamente se il condensato non deve entrare nell'assorbitore.
Se si verifica il trascinamento di liquido, l'alimentazione dell'assorbitore non è un flusso di gas secco. Il bilancio deve includere il liquido che entra nella colonna e qualsiasi soluto disciolto in esso.
La condensazione influisce sulle misurazioni dell'impianto pilota
I misuratori di portata possono riportare il flusso a diverse condizioni di riferimento, mentre le misurazioni di gas umido e gas secco possono utilizzare basi diverse. La condensazione tra i punti di misurazione può creare discrepanze apparenti a meno che ogni flusso non venga posto sulla stessa base di temperatura, pressione e umidità.
Per il lavoro pilota, registrare la temperatura di uscita dello scambiatore di calore, la pressione, la velocità del condensato, la base del flusso di gas e se il gas misurato è umido o secco.
Comprendere i compromessi
Assumere che tutto il vapore condensabile venga rimosso
Il raffreddamento al di sotto della temperatura di saturazione di un componente non significa necessariamente una rimozione completa. Il gas in uscita mantiene la quantità di vapore di equilibrio a meno che un ulteriore condensatore, separatore o fase di essiccazione non lo rimuova.
Utilizzare la condizione di equilibrio in uscita per calcolare il vapore residuo.
Trattare il condensato come solvente puro
Il condensato può contenere ammoniaca assorbita, gas acido, sali disciolti o goccioline trascinate. Trattarlo come acqua pura può sovrastimare il flusso di soluto che raggiunge l'assorbitore e sottostimare la concentrazione del prodotto liquido.
Analizzare o stimare la composizione del condensato quando il soluto è altamente solubile o reattivo.
Utilizzare la composizione volumetrica senza una base coerente
Le frazioni molari su base umida, le frazioni molari su base secca, il flusso volumetrico effettivo e il flusso volumetrico standard non sono intercambiabili. Mescolare queste basi può invalidare sia i bilanci dello scambiatore di calore che quelli dell'assorbitore.
Eseguire prima il bilancio di massa in unità molari, quindi convertire in massa o volume alle condizioni richieste.
Assumere che la condensazione migliori sempre le prestazioni dell'assorbitore
Un flusso di gas più piccolo può ridurre le dimensioni della colonna e la richiesta di solvente, ma una concentrazione di soluto più elevata può aumentare il carico locale e alterare la forza motrice dell'assorbimento. La condensazione può anche creare problemi di intasamento, corrosione, inondazione o distribuzione del liquido se il liquido non viene adeguatamente separato e gestito.
Le apparecchiature a valle devono essere valutate utilizzando sia la portata rivista che la composizione rivista.
Ignorare gli effetti della temperatura dell'assorbitore
L'assorbitore può operare a una temperatura diversa da quella di uscita dello scambiatore di calore. La solubilità, l'equilibrio di reazione, la pressione di vapore e il volume del gas possono cambiare tra queste posizioni.
Il bilancio dell'assorbitore dovrebbe quindi iniziare con le condizioni effettive di ingresso dell'assorbitore, includendo eventuale riscaldamento, ulteriore raffreddamento, evaporazione o aggiunta di liquido tra le unità.
Come applicarlo al tuo impianto pilota
Utilizzare un calcolo sequenziale che segua il percorso fisico del flusso dallo scambiatore di calore all'assorbitore.
- Se il tuo obiettivo principale è il carico dello scambiatore di calore: Calcolare il vapore condensato dalla condizione di equilibrio in uscita e includere il suo calore latente nel bilancio del carico di raffreddamento.
- Se il tuo obiettivo principale è il dimensionamento dell'assorbitore: Rimuovere il condensato, ricalcolare il flusso molare e volumetrico del gas alle condizioni dell'assorbitore e utilizzare tale flusso rivisto per la progettazione idraulica.
- Se il tuo obiettivo principale è la rimozione del soluto: Tracciare il soluto nel gas, nel condensato e nel liquido dell'assorbitore separatamente in modo che la dissoluzione o la condensazione a monte non vengano erroneamente attribuite all'assorbitore.
- Se il tuo obiettivo principale è la riconciliazione dei dati dell'impianto pilota: Esprimere ogni misurazione su una base molare, di temperatura, pressione e umido/secco coerente prima di confrontare i flussi.
- Se il tuo obiettivo principale è il recupero del prodotto liquido: Misurare o stimare la composizione del condensato e includere qualsiasi soluto dell'assorbitore disciolto nel bilancio del prodotto liquido.
Una progettazione affidabile dell'assorbitore inizia con il flusso che raggiunge effettivamente l'assorbitore dopo la condensazione a monte, non con l'alimentazione originale di gas caldo.
Tabella riassuntiva:
| Area | Effetto della condensazione a monte | Azione richiesta |
|---|---|---|
| Flusso di gas | Il flusso molare totale del gas diminuisce | Rimuovere il vapore condensato prima di calcolare l'alimentazione dell'assorbitore |
| Composizione del gas | Le frazioni molari del soluto rimanente possono aumentare | Ricalcolare la composizione della fase gassosa |
| Peso molecolare | Il peso molecolare medio del gas cambia | Aggiornare flusso di massa, densità e velocità |
| Rapporto gas-liquido | Il flusso di gas e la richiesta di solvente possono cambiare | Ricalcolare la linea operativa e la portata del solvente |
| Dimensionamento dell'assorbitore | Diametro, altezza dell'impaccamento o requisiti dei piatti possono cambiare | Utilizzare flusso e composizione alle condizioni di ingresso dell'assorbitore |
| Carico dello scambiatore di calore | La condensazione aggiunge carico di calore latente | Includere il calore sensibile e latente nel bilancio |
| Gestione dei liquidi | Il condensato può contenere soluto disciolto o goccioline trascinate | Utilizzare un separatore e tracciare la composizione del condensato |
| Misurazioni pilota | Le differenze tra umido/secco e condizioni di riferimento possono distorcere i risultati | Riconciliare tutti i flussi su una base molare coerente |
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