Phasendiagramme nutzen, um Dampfdruckkurven präzise vorherzusagen

Phasendiagramme für Dampfdruckkurven verwenden

Karim Mahraz, Swagelok Product Manager, Analytical Instrumentation

Während Phasendiagramme hauptsächlich von Chemikern in Laborumgebungen verwendet werden, können diese Werkzeuge für Maschinenbauingenieure und Anlagenleiter, die mit Probenanalyse betraut sind, erstaunlich nützlich sein. In einigen analytischen Systemen muss eine Flüssigprobe durch Verdampfung in Gas umgewandelt werden, bevor sie analysiert werden kann. Verdampfung ist im Wesentlichen ein Balanceakt zwischen Temperatur, Druck und Durchflussvariablen – und die Dampfdruckkurven eines Phasendiagramms ermöglichen es Ingenieuren, Phasenänderungen für verschiedene Materialien und chemische Verbindungen zu identifizieren.

Im weiteren Verlauf wird ein hypothetisches Gasgemisch von 20 % Hexan in Pentan als vollständiges Phasendiagramm angewendet (siehe Diagramm unten). Wenn die Probe über dem Siedepunkt (blaue Linie) liegt, befindet sie sich vollständig in der flüssigen Phase. Eine Probe muss in ihrem flüssigen Zustand in den Verdampfer eintreten. Liegt eine Probe unter dem Taupunkt (goldene Linie), ist sie ganz Dampf. Die Probe muss ganz Dampf sein, wenn sie den Verdampfer verlässt.

Zwischen der Siedepunkt- und Taupunktlinie liegt die „No-Go-Zone“. Diese Zone repräsentiert den Siedebereich der Probe. Hier befindet sich das Gemisch in zwei Phasen: teilflüssig und teildampfförmig. Sobald eine Probe in die No-Go-Zone fällt, wird sie fraktioniert und ist nicht mehr für die Analyse geeignet. Das Ziel der Verdampfung ist es, Temperatur, Durchfluss und Druck so einzustellen, dass die Probe augenblicklich von der flüssigen Seite der No-Go-Zone auf die Dampfseite springt. Bei reinen und fast reinen Proben gibt es wenig bis keinen Siedebereich oder No-Go-Zone. Die Siedepunkt- und Taupunktlinien liegen einfach übereinander oder fast.

Reine und fast reine Proben wandeln sich in Dampf derselben Zusammensetzung um, sei es durch Verdunstung oder Verdampfung. Einige Industriesproben nähern sich diesem Reinheitsgrad und lassen sich recht leicht umwandeln. Andererseits haben einige Proben einen so breiten Siedebereich oder No-Go-Zone, dass sie nicht erfolgreich verdampft werden können. Es gibt keine Möglichkeit, für solche Proben von der flüssigen zur dampfförmigen Seite der No-Go-Zone zu springen. In diesem Fall können Variablen nicht so manipuliert werden, dass Fraktionierung vermieden wird.

Im oben gezeigten Diagramm ist das Band zwischen Siedepunkt und Taupunkt schmal genug, dass die Probe mit den richtigen Einstellungen effektiv von der flüssigen zur dampfförmigen Seite der No-Go-Zone springen kann. Gleichzeitig ist das Band im Diagramm breit genug, dass man nicht nachlässig sein darf.

Temperatur, Druck und Durchfluss einstellen

Wir arbeiten weiterhin mit der Probe im Diagramm (20 % Hexan in Pentan). Die Eingänge müssen geschickt eingestellt werden, um eine erfolgreiche Verdampfung zu gewährleisten. Im Allgemeinen werden am Eintritt hoher Druck und niedrige Temperatur benötigt. Am Austritt hingegen sind hohe Temperatur und niedriger Druck notwendig. Es gibt Grenzen, wie hoch und niedrig diese Parameter sein können, und nicht jede Einschränkung kann kontrolliert werden.

1. Eintrittsdruck am Verdampfer bestimmen

Der Eintrittsdruck, der festgelegt ist, ist der Prozessdruck – vorausgesetzt, der Verdampfer befindet sich in der Nähe des Entnahmepunkts. Im Beispiel-Diagramm beträgt dieser Druck 4 bar. Höherer Druck ist besser, da er es dem Verdampfer ermöglicht, die Temperatur höher zu halten, ohne die eintretende Flüssigkeit zum Sieden zu bringen.

2. Eintrittstemperatur einstellen

Bei der Einstellung der Eintrittstemperatur gibt es zwei Ziele. Erstens muss die Temperatur niedrig genug sein, damit die Probe beim Eintritt in den Verdampfer vollständig flüssig ist. Im Beispiel-Diagramm beträgt der Siedepunkt bei 4 bar 88 °C. Um vor Fraktionierung zu schützen, ist es am besten, eine runde Zahl zu wählen, die weit genug von 88 °C entfernt ist, um die No-Go-Zone zu vermeiden. Eine sichere Beispiel-Temperatur könnte 80 °C sein.

Das zweite Ziel ist, die Temperatur hoch genug zu halten, um zum vollständigen Aufblitzen der Probe beizutragen – und sicherzustellen, dass nur Dampf den Verdampfer verlässt. Beim Verdampfen einer Probe sinkt die Temperatur gemäß den Energieerhaltungsgesetzen. Die Proben-Temperatur muss am Anfang hoch genug sein, damit sie nach dem Druckabfall nicht in die No-Go-Zone fällt. Im Beispiel-Diagramm beträgt die Dämpftemperatur nach dem Druckabfall 60 °C – gerade auf der Dampfseite der Taupunktlinie.

3. Austrittdruck einstellen

Beim Einstellen des Austrittdrucks ist das Ziel, den Druck unter die Taupunktlinie zu senken. Im Beispiel-Diagramm wird der Austrittdruck auf 1,5 bar eingestellt. Wäre der Austrittdruck höher, würde die Probe nicht vollständig verdampfen und fraktionieren.

4. Durchfluss einstellen

Der Durchfluss wird downstream an einem Ventil und Rotameter eingestellt, nicht am Verdampfer. In einem Probenahmesystem ist hoher Dampfdurchfluss wünschenswert, da er die Probe schneller zum Analysator bewegt. Hoher Durchfluss kann jedoch problematisch sein, da mehr Wärme erforderlich ist, um die Probe zu verdampfen. Mit anderen Worten: Hoher Durchfluss führt zu einem größeren Temperaturabfall zum Zeitpunkt der Verdampfung. Im Beispiel-Diagramm veranschaulicht die violette Linie den Temperaturabfall. Je mehr der Durchfluss zunimmt, desto steiler fällt die Temperatur.

Eine weitere Variable, die den Temperaturabfall beeinflusst, ist die Wärmeübertragungsfähigkeit des Verdampfers. Einige Verdampfer sind so konstruiert, dass Wärme effizienter auf die Probe übertragen wird. Wenn die Flüssigprobe in Dampf umgewandelt wird und ihre Temperatur sinkt, zieht sie Wärme aus dem sie umgebenden Edelstahl. Die entscheidende Frage ist, wie effizient der Verdampfer die Wärme ersetzen und zur Probe fließen lassen kann. Je mehr Wärme die Probe ziehen kann, desto weniger sinkt ihre Temperatur während der Verdampfung. In einigen Fällen ist es möglich, dass der Verdampfer außen heiß anzufassen ist, aber im Kern innen kalt. Das liegt daran, dass die verdampfte Probe viel Wärme entzieht und der Verdampfer nicht genug Energie übertragen kann, um Schritt zu halten. Die beste Lösung ist, den Durchfluss zu reduzieren.

Zusammenfassend ist der im Diagramm visualisierte Temperaturabfall ein Produkt aus Durchflussrate und Wärmeübertragungsfähigkeit des Verdampfers. Mit einem hochwertigen Verdampfer und niedriger Durchflussrate wird die Linie im Diagramm vertikaler. Leider gibt es keine einfache Möglichkeit, den genauen Ort des Temperaturabfalls in einem Phasendiagramm zu berechnen, und er kann von keinem bekannten Softwareprogramm generiert werden. Daher beinhaltet Verdampfung einige Approximation. Als Faustregel gilt: Halten Sie die Durchflussrate so niedrig wie möglich, ohne eine unakzeptable Verzögerung der Probenlaufzeit zum Analysator zu verursachen. Es ist besser, mit einer niedrigen Durchflussrate zu beginnen und durch Erhöhen zu experimentieren, als mit einer zunächst höheren Durchflussrate zu starten.

Für zusätzliche Hilfe bei analytischer Instrumentierung und Best Practices für Probenahmesysteme mit Phasendiagramm-Dampfdruckkurven wenden Sie sich bitte an Ihr lokales Swagelok Vertriebs- und Servicecenter.