ガス吸収パイロットプラントでは、変化しないキャリアガス成分を追跡することで流量変化を計算します。 入口の体積流量、圧力、温度、組成から不活性ガスのモル流量を求め、同じ不活性ガス流量と出口組成を用いて、減少した全ガス流量を計算します。入口と出口の溶質モル流量の差が吸収速度です。

要点： 収支計算では、キャリアガスを基準成分として使用します。キャリアガスが吸収も生成もされない場合、そのモル流量は一定に保たれます。一方、可溶性ガスが除去されると、全ガスのモル流量および体積流量は減少します。

物質収支の基準を設定する

ガス成分を特定する

次のように定義します：

(A) = 除去対象となる可溶性溶質（アンモニア、二酸化硫黄、塩化水素など）
(I) = 不活性キャリアガス（空気、窒素など）
(G_{\text{in}})、(G_{\text{out}}) = ガス全体のモル流量
(y_A)、(y_I) = 気相モル分率
(Q) = ガス体積流量

希薄ガス混合物では、報告された体積分率は通常、モル分率として扱われます。これは、理想気体では同じ温度および圧力において、体積分率がモル分率に等しいためです。

一貫した基準を使用する

次のいずれかを使用します：

モル収支には mol/s または kmol/h、または
質量収支には kg/s または kg/h。

温度と圧力を補正せずに、実際の体積流量と標準体積流量を混在させないでください。また、気体の状態方程式では絶対温度と絶対圧力を使用してください。

基準成分を選択する

不活性キャリアガスは、通常、吸収塔内でその量が変化しないため、最も有用な基準となります：

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

この仮定は、キャリアガスが吸収、生成、消費、凝縮されず、漏れによって失われない場合にのみ有効です。

入口ガス流量を計算する

入口体積を全モル流量に変換する

理想気体の場合、次式を用いて入口の全ガスモル流量を計算します：

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

\frac{P_{\text{in}}Q_{\text{in}}}{Z_{\text{in}}RT_{\text{in}}} ]

ここで：

(P_{\text{in}}) = 入口の絶対圧力
(Q_{\text{in}}) = 入口の実際の体積流量
(T_{\text{in}}) = 入口の絶対温度
(R) = 気体定数
(Z_{\text{in}}) = 圧縮係数。中程度の圧力における希薄ガスでは、1と近似されることが多い

流量計が標準体積流量を示す場合は、実際の塔内条件ではなく、対応する標準圧力と標準温度を使用してください。

不活性ガス流量を計算する

入口の不活性ガスモル分率が (y_{I,\text{in}}) の場合：

[ \dot n_I

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

入口の溶質モル分率が (y_{A,\text{in}}) で、ガスが溶質と不活性キャリアガスのみを含む場合は、次のようにも表せます：

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

したがって：

[ \dot n_I

(1-y_{A,\text{in}})\dot n_{G,\text{in}} ]

入口の溶質流量を計算する

入口の溶質モル流量は次のとおりです：

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

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

これは、出口の溶質流量と比較して除去量を求める値です。

出口ガス流量を計算する

不活性ガス収支を適用する

不活性キャリアガスは吸収塔を変化せずに通過するため：

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

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

\dot n_I ]

出口の不活性ガスモル分率を (y_{I,\text{out}}) として測定した場合、出口の全ガスモル流量は次のようになります：

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

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

不活性キャリアガスと残留溶質のみを含むガスの場合：

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

\frac{\dot n_I}{1-y_{A,\text{out}}} ]

これが重要な計算です。溶質が除去されるため、出口の全モル流量は一般に入口の全モル流量と等しくありません。

出口の溶質流量を計算する

測定した出口溶質濃度を用いると：

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

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

吸収されない他のガス成分が存在する場合は、完全な出口組成を使用します：

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

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

不活性ガス分率には、乾きガスや湿りガスなど、測定に使用した実際の組成基準を反映させる必要があります。

吸収された溶質速度を求める

気相中で溶質が生成または反応消費されないと仮定すると：

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

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

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

対応する質量吸収速度は次のとおりです：

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

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

ここで (M_A) は溶質の分子量です。

除去効率を計算する

除去された割合は次のとおりです：

[ \eta_A

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

除去率（パーセント）は次のとおりです：

[ %,\text{removal}

100\eta_A ]

これは通常、スクラビング塔の性能を評価する最も直接的な指標です。

モル流量の変化を体積流量の変化に変換する

出口の気体状態方程式を使用する

出口の全モル流量が分かったら、出口塔内条件における出口体積流量を次のように計算します：

[ Q_{\text{out}}

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

理想気体の場合：

[ Q_{\text{out}}

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

出口体積は入口体積より大きくなる場合も小さくなる場合もあります。溶質の除去は全モル数を減少させる傾向がある一方、温度上昇や圧力低下は体積を増加させる傾向があります。

組成の影響と条件の影響を分離する

体積流量の変化には、次の2つの原因が考えられます：

組成の影響： 吸収によってガスの全モル数が変化する。
熱力学的影響： 温度または圧力の変化によってガス体積が変化する。

例えば、ガスのモル流量が減少しても、塔内での加熱によって、測定される体積流量の減少が部分的に相殺されることがあります。

入口と出口の流量を直接関連付ける

理想気体の関係式を組み合わせると、次のようになります：

[ \frac{Q_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}}{\dot n_{G,\text{in}}} \frac{T_{\text{out}}}{T_{\text{in}}} \frac{P_{\text{in}}}{P_{\text{out}}} ]

非理想気体の場合は、圧縮係数の比を含めます：

[ \frac{Q_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}}

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

この式は、キャリアガスのモル流量が変化しなくても、入口と出口の流量計が異なる体積流量を示す理由を明確に示しています。

液相側の収支を完了する

塔全体について溶質収支を書く

定常状態では、溶質収支は次のようになります：

[ \dot n_{A,\text{gas,in}} + \dot n_{A,\text{liquid,in}}

\dot n_{A,\text{gas,out}} + \dot n_{A,\text{liquid,out}} ]

入口液に溶質が含まれない場合：

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

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

\dot n_{A,\text{gas,out}} ]

この結果は、気相側で計算した溶質吸収速度と一致するはずです。

溶媒流量を考慮する

溶媒が不揮発性で反応しない場合：

[ \dot n_{S,\text{liquid,in}}

\dot n_{S,\text{liquid,out}} ]

しかし実際のシステムでは、水または別の溶媒がガス中に蒸発することがあります。溶媒の蒸発が顕著な場合、溶媒収支にはその損失を含める必要があります：

[ \dot n_{S,\text{liquid,in}}

\dot n_{S,\text{liquid,out}} + \dot n_{S,\text{gas,out}}

\dot n_{S,\text{gas,in}} ]

したがって、ガス組成や流量を比較する際には、湿りガス補正が必要になる場合があります。

運転データがその形式で報告されている場合は質量分率を使用する

液相組成が溶質質量分率 (w_A) で報告されている場合、液相の溶質質量流量は次のようになります：

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

w_A\dot m_{\text{liquid}} ]

定常吸収塔では、液相側の溶質増加量は気相側の溶質除去量と等しくなるはずです：

[ \dot m_{A,\text{liquid,out}}

\dot m_{A,\text{liquid,in}}

\dot m_{A,\text{gas,in}}

\dot m_{A,\text{gas,out}} ]

これは、液相濃度を直接測定するアンモニア水系、酸性ガススクラビング、その他のシステムで特に有用です。

塔の性能を解釈する

測定組成を平衡状態と比較する

ガス吸収は、実際の気液状態と平衡状態との差によって促進されます。気液平衡データは、運転温度および圧力におけるガス中の溶質分圧と液相中の溶質濃度の関係を示します。

希薄系では、平衡関係は次の形式で表せます：

[ y_A^*=m x_A ]

ここで：

(y_A^*) = 平衡状態における気相溶質分率
(x_A) = 液相溶質分率
(m) = 平衡勾配

物質収支によって除去された溶質量が決まり、平衡関係によって、塔に十分な物質移動の推進力があったかどうかを説明できます。

操作線の関係を使用する

定常向流吸収塔では、簡略化した物質収支の関係を溶質質量分率を用いて次のように表せます：

[ \frac{w_{A,\text{gas,out}}-w_{A,\text{gas,in}}} {w_{A,\text{liquid,out}}-w_{A,\text{liquid,in}}}

-\frac{F_{\text{liquid}}}{F_{\text{gas}}} ]

負号は、ガス中では溶質が減少し、液体中では溶質が増加するという、組成変化が反対方向であることを示します。

液体対ガスの流量比が高いほど、一般に溶媒容量と吸収力は大きくなりますが、液体循環量と下流側のユーティリティ要件も増加します。

トレードオフを理解する

全ガス流量が一定だと仮定しない

吸収後も全ガス流量が一定であるとすると、流量が独立して制御されているか、別のガス成分が除去された溶質を置き換えていない限り、溶質収支は誤ったものになります。

正しい方法は、不活性キャリアガスを保存し、出口組成から出口の全流量を再計算することです。

実流量と標準流量を混同しない

流量計は標準条件における (\mathrm{m^3/h}) を報告する場合がありますが、塔は異なる圧力および温度で運転されています。収支に使用する前に、すべての読み値を共通の基準に変換してください。

これを行わないと、装置が正常に運転されている場合でも、物質収支に大きな誤差があるように見えることがあります。

溶媒蒸気と凝縮を確認する

ガスに加わった水蒸気は全ガスモル数を増加させ、凝縮は気相モル数を減少させます。システムによっては、これらの影響が溶質除去量と同程度になることがあります。

可能な場合は乾きガス組成を使用するか、溶媒蒸気を成分収支に明示的に含めてください。

反応と熱の影響を考慮する

吸収されたガスの一部は液相中で反応します。例えば、水系ではアンモニアや塩化水素が反応することがあります。反応によって全体の溶質収支が無効になることはありませんが、平衡、液相組成、および吸収種の存在形態に影響します。

吸収によって大きな熱が放出されることもあります。塔内温度が大きく変化する場合は、ガス体積の計算に測定した出口温度を使用し、冷却要件をエネルギー収支によって別途評価してください。

収支の閉合を診断指標として扱う

有用な全体確認方法は次のとおりです：

[ \text{Balance closure}

\frac{\text{input rate}-\text{output rate}} {\text{input rate}} ]

溶質については、液相への蓄積量または吸収速度が、予想される測定不確かさの範囲内で、気相側の減少量と一致するはずです。

大きな不一致は、一般に、流量基準の誤り、組成測定誤差、漏れ、非定常運転、未測定の溶媒蒸発、または不適切な不活性ガス仮定を示しています。

これをパイロットプラントに適用する方法

各定常運転条件について、次の手順を使用します：

主な目的が物質収支の精度である場合： 入口の不活性ガスモル流量を計算し、それを出口の不活性ガス流量と等しく設定して、測定した組成からすべての全流量および成分流量を求めます。
主な目的がガス流量の変化である場合： 入口の体積流量が変化しないと仮定するのではなく、出口温度と圧力を用いて (Q=\dot n ZRT/P) により出口体積を再計算します。
主な目的が溶質除去効率である場合： ((\dot n_{A,\text{in}}-\dot n_{A,\text{out}})/\dot n_{A,\text{in}}) を計算し、液相中の溶質増加量と照合します。
主な目的が溶媒必要量である場合： 溶質収支を液相組成および平衡データと組み合わせ、溶媒流量が十分な吸収容量を提供しているかを判断します。
主な目的が信頼性の高いパイロットプラント運転である場合： 分離性能を解釈する前に、乾きガスと湿りガスの条件、圧力損失、温度変化、溶媒蒸発、反応、および全体の収支閉合を確認します。

不活性キャリアガスを基準成分とし、圧力・温度・組成のデータを一貫させれば、吸収性能とガス流量の変化を直接計算し、個別に検証できます。

まとめ表：

計算項目	主要な式または方法	目的
入口の全ガス流量	(\dot n_{G,in}=P_{in}Q_{in}/(ZRT_{in}))	入口体積をモル流量に変換する
不活性キャリアガス流量	(\dot n_I=y_{I,in}\dot n_{G,in})	保存される基準成分を確立する
出口の全ガス流量	(\dot n_{G,out}=\dot n_I/y_{I,out})	溶質除去を考慮する
吸収された溶質速度	(\dot n_{A,absorbed}=\dot n_{A,in}-\dot n_{A,out})	溶質捕捉量を定量化する
除去効率	(\eta_A=(\dot n_{A,in}-\dot n_{A,out})/\dot n_{A,in})	吸収塔の性能を測定する
出口の体積流量	(Q_{out}=\dot n_{G,out}Z_{out}RT_{out}/P_{out})	実際のガス流量変化を求める
液相側の検証	液相の溶質増加量 = 気相の溶質除去量	物質収支の閉合を確認する

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