化学工学のガス吸収パイロットプラントでは、どちらの手法も、溶質の除去を測定可能なガス体積の変化に変換するために使用されます。 純成分体積法は、吸収されたガスが占める体積を推定し、出口の温度と圧力で補正する前に、その寄与分を入口混合物から差し引きます。分圧法は、窒素や乾燥空気などの不活性ガスを保存成分として利用し、その入口および出口の分圧から出口体積を計算します。
中心となる原理は、非吸収性参照成分の保存です。スクラビングによって溶質は減少しますが、不活性成分は気相に残るため、最終的なガス体積を計算するための信頼できる基準となります。
スクラビング中にガス体積が変化する理由
溶質の除去による全ガスモル数の変化
スクラバーが塩化水素、塩素、二酸化硫黄、二酸化炭素、またはその他の可溶性成分を吸収する場合、溶質は気相から液相へ移動します。
したがって、水蒸気などの別の揮発性成分がガスに添加されない限り、気相の全モル数は減少します。
温度と圧力も体積に影響する
ガス体積は組成だけでなく、他の要因にも依存します。理想気体の場合、
PV = nRT
その結果、出口流の体積は、ガスモル数、温度、圧力、またはこれら3つすべての変化により異なる可能性があります。
不活性ガスが基準となる
窒素や乾燥空気などのキャリアガスがタイ成分（tie component）として選択されます。その質量流量またはモル流量は、吸収塔を通じて一定であると仮定されます。
この保存成分により、技術者は純粋な溶質除去と、運転条件のみに起因する体積変化を区別することができます。
純成分体積法の適用
入口混合物の体積から始める
入口ガスの体積、温度、圧力を測定または計算します：
V_in, T_in, P_in
吸収される成分の入口モル分率が y_A,in である場合、入口条件におけるその理想気体分体積は次の通りです：
V_A,in = y_A,in V_in
同様に、入口モル数を使用すると：
V_A,in = n_A,in R T_in / P_in
吸収された溶質に関連する体積を除去する
成分Aが完全に吸収される場合、入口の温度と圧力における残りのガス体積は次のように近似されます：
V_remaining,in = V_in - V_A,in
部分的に吸収される場合は、吸収された部分のみを除去する必要があります：
V_remaining,in = V_in - Delta(n_A) R T_in / P_in
ここで Delta(n_A) は液相に移動したAのモル数です。
スクラバーは通常、溶質をすべてではなく一部のみ除去するため、この区別が重要になります。
残りのガスを出口条件に補正する
入口条件における残りのガス体積を決定した後、理想気体の補正を適用します：
V_out =
V_remaining,in (T_out / T_in) (P_in / P_out)
この計算は、残りのガスが理想的に振る舞い、体積推定に使用されるガス組成が既知であるか、適切に近似されていることを前提としています。
最初の体積推定にこの手法を使用する
純成分法は、吸収された溶質を気流から消失する体積寄与として扱うため、直感的です。
吸収率と運転条件が明確に定義されていれば、溶質除去と気相体積の減少の直接的な関連性を教えるのに特に役立ちます。
分圧法の適用
不活性ガスの収支式を書く
成分Iを非吸収性キャリアガスとします。その入口と出口のモル量は等しくなります：
n_I,in = n_I,out
理想気体の状態方程式とドルトンの法則を使用すると：
n_I,in = P_I,in V_in / (R T_in)
n_I,out = P_I,out V_out / (R T_out)
これらの式を等置すると次のようになります：
V_out =
V_in (P_I,in / P_I,out) (T_out / T_in)
ここで、不活性ガスの分圧は次の通りです：
P_I,in = y_I,in P_in
P_I,out = y_I,out P_out
分圧の変化を解釈する
スクラバーが溶質を除去すると、不活性ガスは出口混合物の中でより大きな割合を占めるようになります。したがって、モル数は変化していなくても、モル分率は増加する可能性があります。
一定温度において、不活性ガスの分圧が低下する場合、同じ量の不活性ガスを保持するためには出口体積が増加しなければなりません。不活性ガスの分圧が変化しない場合、不活性ガスの収支からは組成変化による体積変化は予測されません。
一般的な等温ケースに適用する
入口と出口の温度が等しい場合：
V_out / V_in = P_I,in / P_I,out
この形式は、すべての成分の体積寄与を直接計算する必要がないため、パイロットプラントの計算において便利です。
測定された出口条件を含める
この手法では、測定された出口組成と全圧から計算される、実際の出口不活性分圧を使用する必要があります。
全圧のみを使用すると、その圧力のうちどれだけが保存されたキャリアガスによるものかを特定できないため、誤った結果が生じる可能性があります。
体積計算をスクラビング性能に結びつける
吸収された溶質量を決定する
溶質の収支から吸収量が求められます：
n_A,absorbed = n_A,in - n_A,out
保存された不活性成分を含むガス流の場合、入口と出口の溶質量は不活性流量に対して計算できます：
n_A / n_I = y_A / y_I
吸収率は次のようになります：
fraction absorbed =
(n_A,in - n_A,out) / n_A,in
組成と平衡の関係
出口の溶質組成は、気液平衡、溶媒流量、温度、圧力、および塔の接触効率に依存します。
ヘンリーの法則やその他の気液平衡データを使用して、運転条件においてガス中に残存する溶質濃度を推定できます。
ガスと液体の収支を合わせて確認する
ガス体積の結果は、両方の相と整合している必要があります：
- 気相は吸収された溶質を失う。
- 液相は溶質を得る。
- 不活性キャリアはガス中に留まる。
- 蒸発した溶媒や凝縮可能な蒸気は、追加の気相成分として含める必要がある。
水蒸気や反応性のスクラビング剤が出口組成に影響を与える場合、この結合収支が不可欠です。
トレードオフの理解
純成分法は明確な吸収の根拠に依存する
溶質の全分体積を差し引くことは、成分が完全に除去される場合、または計算が吸収量を明示的に表している場合にのみ有効です。
出口ガスに残留溶質がある場合、その入口体積をすべて差し引くと、ガス体積の減少を過大評価することになります。
分圧法は有効なタイ成分に依存する
キャリアガスは、塔の条件において非吸収性、非凝縮性、かつ非反応性でなければなりません。
窒素が著しく溶解したり、酸素が反応したり、漏洩によってキャリア流量が失われたりすると、計算された出口体積にバイアスが生じます。
高圧下では理想気体の挙動では不十分な場合がある
中程度の圧力では、理想気体の状態方程式は教育用や予備的なパイロットプラント計算には十分なことが多いです。
高圧下や凝縮に近い状態では、圧縮係数や実在気体のフガシティ効果が必要になる場合があります：
PV = ZnRT
同じ保存成分の論理が適用されますが、物性モデルをアップグレードする必要があります。
凝縮と溶媒蒸発が収支を複雑にする
スクラバーは、ガス流に溶媒蒸気を加えながら、1つのガス成分を除去する場合があります。
例えば、水スクラビングでは、酸性ガスを吸収しながら同時に水蒸気含有量が増加する可能性があります。したがって、正味の体積変化には両方の影響を含める必要があります。
圧力損失を測定またはモデル化する必要がある
充填塔には通常、入口と出口の間に圧力損失があります。
塔に大きな圧力損失がある場合に圧力が一定であると仮定すると、吸収の影響が見えにくくなり、出口流量の推定が不正確になる可能性があります。
目的に合った正しい選択をする
利用可能な測定値とパイロットプラントの物理的挙動に最も適した手法を使用してください。
- 主な目的が溶質除去の直接的な効果を教えることである場合： 純成分体積法を使用し、実際に吸収された量に対応する体積のみを差し引いてから、出口の温度と圧力で補正してください。
- 主な目的が正確なパイロットプラントの流量評価である場合： 検証済みの不活性キャリアと、測定された入口および出口の分圧を用いて分圧法を使用してください。
- 主な目的がスクラバーの性能評価である場合： いずれかの体積法を溶質および溶媒の物質収支と組み合わせ、除去効率と溶媒消費量を計算してください。
- 主な目的が高圧または凝縮性システムである場合： 理想気体の体積差し引きだけに頼るのではなく、実在気体、気液平衡、凝縮、および溶媒蒸発の影響を含めてください。
計算を保存された不活性成分と測定された運転条件に固定することで、技術者はスクラビングによるガス体積の変化と、温度、圧力、または蒸発による変化を区別できます。
要約表：
| 手法 | 中心となる原理 | 最適な用途 | 主な要件 |
|---|---|---|---|
| 純成分体積法 | 吸収された溶質の体積を差し引き、出口条件で補正する | 教育および予備的な推定 | 既知の吸収量、温度、圧力 |
| 分圧法 | 保存された不活性ガスを使用して分圧から出口体積を計算する | 正確なパイロットプラント流量評価 | 検証済みの不活性キャリア、測定された入口・出口組成 |
| 結合収支法 | ガス体積の変化と溶質・液相の収支を結びつける | スクラバー性能分析 | 溶質除去、溶媒蒸発、平衡データ |
| 実在気体分析 | 圧縮係数と相平衡効果を使用して収支を拡張する | 高圧または凝縮性システム | 圧縮係数、VLEデータ、凝縮評価 |
LABPARKで、より信頼性の高いガス吸収研究を計画しましょう。 当社の教育・職業訓練用ユニットオペレーション・パイロットプラントは、大学、研究機関、企業が、現実的な運転条件下でガススクラビング、不活性ガス収支、溶質除去、圧力損失、溶媒蒸発、出口流の挙動を評価するのに役立ちます。LABPARKは、化学工学、バイオプロセスおよびバイオテクノロジー、環境および水処理用途向けのパイロットプラントを提供しています。LABPARKに連絡し、対象となるガス、溶媒、運転条件、教育または研究の目的、そして正確なトレーニング、プロセス開発、スケールアップを最もサポートするパイロットプラントの構成についてご相談ください。
関連製品
- 二重モードガス吸収・脱着ユニット操作実習パイロットプラント
- 二酸化炭素吸収・脱離 炭素回収研究向け教育用パイロットプラント
- 二酸化炭素吸着・回収教育用ユニット操作パイロットプラント
- 吸収・脱着 教育用単位操作パイロットプラント
- 充填層吸収教育用ユニット操作パイロットプラント
