物質収支は、向流吸収塔を通るアンモニア、不活性ガス、および溶媒を追跡することで適用されます。 入口のガス流量、アンモニア濃度、溶媒流量、および出口の組成を全収支および成分収支に使用し、どれだけのアンモニアが吸収されたか、出口の流速、溶媒の必要量、および回収効率を決定します。パイロットプラントでは、これらの計算結果を、測定された流量、温度、圧力、および組成データと照合します。

中心となる計算はアンモニア収支です。ガス流および液体流で入ってくるアンモニア量は、それらの流れで出ていくアンモニア量と等しくなければならず、その差が溶媒中に移動したアンモニア量を示します。窒素やその他の不活性キャリアガスはほとんど吸収されないため、その流量は出口ガス流量を計算するための非常に信頼性の高い基準となります。

物質収支が示すもの

向流吸収プロセス

アンモニア回収塔では、アンモニアと窒素などの不活性キャリアを含むガス流が塔の下部付近から入り、上向きに流れます。一般的に水や水溶液である液体溶媒は、塔の上部付近から入り、下向きに流れます。

この対向流配置により、塔の大部分で濃度駆動力が維持され、ガス相から液相へのアンモニア移動が促進されます。

収支の立て方

全体物質収支

吸収塔に出入りするガス流および液体流について、定常状態の全体収支は以下の通りです：

[ G_{\text{in}} + L_{\text{in}}

G_{\text{out}} + L_{\text{out}} ]

ここで、(G) はガスの質量またはモル流量、(L) は液体の質量またはモル流量を表します。

この収支は両方の出口流量が未知の場合に有用ですが、アンモニアの移動によってガスおよび液体の流量が変化するため、慎重に解釈する必要があります。

アンモニア成分収支

アンモニア収支は以下の通りです：

[ G_{\text{in}}y_{A,\text{in}} + L_{\text{in}}x_{A,\text{in}}

G_{\text{out}}y_{A,\text{out}} + L_{\text{out}}x_{A,\text{out}} ]

この式において、(A) はアンモニア、(y_A) はガス相分率、(x_A) は液相分率を示します。

流入する溶媒にアンモニアが含まれていない場合、(x_{A,\text{in}}=0) となり、収支は以下のように簡略化されます：

[ G_{\text{in}}y_{A,\text{in}}

G_{\text{out}}y_{A,\text{out}} + L_{\text{out}}x_{A,\text{out}} ]

したがって、単位時間あたりに吸収されるアンモニア量は以下の通りです：

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

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

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

質量ベースの計算の場合：

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

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

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

不活性ガス収支

窒素がガス相にとどまると仮定する場合：

[ \dot n_{N_2,\text{in}}

\dot n_{N_2,\text{out}} ]

このタイ成分（tie-component）収支は、アンモニアが除去されるにつれて全ガス流量が減少する一方で、窒素流量はほぼ一定に保たれるため非常に有用です。

入口の窒素分率が (y_{N_2,\text{in}}) である場合、入口の窒素モル速度は以下の通りです：

[ \dot n_{N_2,\text{in}}

\dot n_{G,\text{in}}y_{N_2,\text{in}} ]

全出口ガス流量は、測定された出口窒素分率から計算できます：

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

\frac{\dot n_{N_2,\text{out}}}{y_{N_2,\text{out}}} ]

出口アンモニア速度は以下から求められます：

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

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

このアプローチは、全ガス流量が一定であると仮定するよりも信頼性が高いことがよくあります。

パイロットプラント測定値の変換

ガス流量と組成

パイロットプラントでは通常、ガスの体積流量、圧力、温度、およびアンモニア濃度を測定します。測定された体積流量は、適切な状態方程式を用いてモル流量に変換する必要があります：

[ \dot n_G

\frac{P\dot V}{ZRT} ]

ここで、(P) は絶対圧力、(\dot V) は体積流量、(T) は絶対温度、(R) は気体定数、(Z) は圧縮係数です。

中程度の圧力で十分に希薄なガス流の場合、(Z) は1と近似できる場合があります。塔内の温度や圧力が大きく変化する場合、入口と出口の流量測定値は個別に補正する必要があります。

液体流量とアンモニア負荷

液体流量は、校正されたポンプ、計量タンク、流量計、または経時的な測定体積から決定されます。液体アンモニア濃度は、化学分析、密度データ、滴定、またはその他の検証済みの組成測定から得られます。

吸収されたアンモニアが溶媒に質量を加えるため、液体出口流量は増加する可能性があります。溶媒が蒸発したり、水がガスに同伴されたりする場合は、それらの影響も収支に含める必要があります。

平衡関係または経験的関係

ガス相アンモニアと液相アンモニアの測定値または予測値の関係が、計算の後半部分を提供します。単純な表現は以下の通りです：

[ y_A^* = f(x_A,T,P) ]

ここで (y_A^*) は液体組成 (x_A) と平衡にあるガス組成です。

希薄な系では、この関係は以下のような線形表現で近似できる場合があります：

[ y_A^* = mx_A ]

平衡関係は物質収支に取って代わるものではありません。これは、達成可能な出口組成と物質移動の駆動力を決定するために必要な相平衡情報を提供するものです。

回収性能の決定

アンモニア除去率

ガス流に基づくアンモニア回収率または除去率は以下の通りです：

[ \eta_A

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

パーセンテージで表すと：

[ %,\text{removed}

100\eta_A ]

この値は、ガスから液体へどれだけのアンモニアが移動したかを示しますが、その結果が平衡、物質移動、溶媒速度、または運転条件のいずれによって制限されているかを単独で特定するものではありません。

溶媒のアンモニア負荷

単位溶媒あたりに吸収されたアンモニアは次のように計算できます：

[ \Delta X_A

X_{A,\text{out}}-X_{A,\text{in}} ]

溶質を含まない液体比を使用する場合、一般的な定義は以下の通りです：

[ X_A=\frac{\dot n_A}{\dot n_{\text{solvent}}} ]

対応するガス側の溶質比は以下の通りです：

[ Y_A=\frac{\dot n_A}{\dot n_{\text{inert gas}}} ]

通常の相分率ではなく (X_A) と (Y_A) を使用することは、アンモニアが移動している間でも不活性ガスと溶媒の流量がほぼ一定に保たれるため、有利な場合が多いです。

溶媒の必要量

目標とする出口アンモニア濃度が指定されている場合、アンモニア収支を再構成して必要な溶媒流量を推定できます：

[ L_{\text{out}}x_{A,\text{out}}

G_{\text{in}}y_{A,\text{in}}

G_{\text{out}}y_{A,\text{out}} + L_{\text{in}}x_{A,\text{in}} ]

その結果を、利用可能な溶媒流量および平衡負荷容量と比較します。溶媒流量を増やすと一般的に吸収は向上しますが、収支と平衡関係を合わせて検討することで、追加の溶媒が有用な改善をもたらすかどうかを判断します。

塔全体にわたる収支の利用

塔全体の分析

吸収塔全体の収支は、入口および出口の流量と全体のアンモニア回収率を決定します。これは、パイロットプラントのデータが内部的に整合しているかどうかを確認するための最初のチェックです。

この計算は、乾燥した不活性ガスベースで行うこともでき、アンモニア除去によって全ガス流量が大幅に変化する場合に特に有用です。

セクションごとまたはトレイごとの分析

充填塔の場合、収支を選択した塔のセクションに適用できます。トレイまたは段階モデルの場合、各段階に対して個別の収支を記述し、その段階に出入りするガスと液体の組成を関連付けます。

これらの段階収支を平衡データと組み合わせることで、理想的な段階数、移動単位の必要量、または実際の充填物によって達成される平衡への接近度を推定できます。

モデルと測定値の比較

ガスから吸収されたと計算されたアンモニア量は、液体が得たアンモニア量と一致するはずです：

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

その差が収支の閉合誤差です。大きな不一致がある場合は、サンプリング誤差、測定されていない溶媒の蒸発、アンモニアの漏れ、同伴、誤った流量変換、または不活性ガスの挙動に関する無効な仮定を示している可能性があります。

トレードオフの理解

一定流量の仮定

ガス流量を一定とみなすと、アンモニアの除去によって全ガスモル流量が減少するため、誤差が生じる可能性があります。この仮定は、アンモニアが十分に希薄な場合、または必要な精度が限定的な場合にのみ妥当です。

出口ガス流量を計算するには、通常、不活性ガス収支の方が優れた基準となります。

平衡と実際の性能の比較

平衡データは、ガスと液体が十分に長く接触した場合に到達可能な限界組成を表します。実際の充填塔は、有限の界面面積、不十分な濡れ、チャネリング、偏流、または不十分な滞留時間のために、その限界を下回る性能になる可能性があります。

物質収支は結果を定量化できますが、それ単体ですべての物質移動の制限を診断することはできません。

温度の影響

水や水性溶媒へのアンモニア吸収は熱を放出する可能性があり、温度は平衡と物質移動の両方の挙動に影響を与えます。吸収塔で温度が大幅に上昇する場合、温度が高いとアンモニアの溶解度が低下する可能性があるため、等温収支は誤解を招く可能性があります。

非等温運転が激しい場合は、エネルギー収支を追加する必要があります：

[ \dot Q

\sum \dot n_{\text{out}}\hat H_{\text{out}}

\sum \dot n_{\text{in}}\hat H_{\text{in}} ]

熱負荷を使用して、意図した運転条件を維持するために冷却が必要かどうかを評価します。

化学反応と非理想的な挙動

アンモニアが溶媒と反応する場合でも単純な収支は有効ですが、相平衡モデルは反応とそれに伴うイオン種を考慮しなければなりません。溶媒の化学的性質が重要な場合にアンモニア吸収を純粋な物理的吸収として扱うと、誤った平衡予測や溶媒容量の推定につながる可能性があります。

したがって、圧力、温度、アンモニア濃度、および溶媒組成は、適切な平衡データまたは経験的データと照合する必要があります。

パイロットプラントへの適用方法

物質収支は計算の枠組みを提供し、測定値と平衡データは吸収塔が期待通りに動作しているかどうかを決定します。

主な焦点がアンモニア回収にある場合： 入口と出口のアンモニア濃度を測定し、アンモニア成分収支を使用して、吸収量と除去率を計算します。
主な焦点が正確なガス流量の決定にある場合： 不活性窒素成分の収支を取り、その出口濃度を使用して、全出口ガスのモル流量および体積流量を計算します。
主な焦点が溶媒の最適化にある場合： アンモニア収支と気液平衡関係を組み合わせて、目標とする出口濃度を達成するために必要な溶媒流量を決定します。
主な焦点が塔の性能にある場合： 塔全体、およびデータが許す場合は個々のセクションにわたって収支を適用し、平衡による制限と物質移動による制限を区別します。
主な焦点が信頼性の高いパイロットプラントデータにある場合： 実際の圧力と温度に合わせて流量を補正し、液体アンモニア負荷を測定し、ガスから失われたアンモニアが液体が得たアンモニアと一致することを確認します。

適切に構築された物質収支は、パイロットプラントの測定値を、アンモニア回収、溶媒使用量、および吸収塔性能に関する説得力のある評価へと変換します。

要約表：

収支または指標	決定するもの	主な基準
全体収支	全入口および出口のガス・液体流量	ガスおよび液体流量
アンモニア収支	吸収されたアンモニア量と出口濃度	入口および出口のアンモニア量
不活性ガス収支	アンモニア除去後の正確な出口ガス流量	窒素またはキャリアガス流量
回収効率	アンモニアの除去率	入口対出口のアンモニア量
溶媒負荷	単位溶媒あたりのアンモニア吸収量	液体組成の変化
平衡関係	達成可能な出口組成と駆動力	温度、圧力、溶媒化学
収支閉合	データの品質と説明のつかない損失	ガスの損失対液体の増加
エネルギー収支	発熱と温度変化の影響	ストリームのエンタルピーと熱負荷

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