上流での蒸気凝縮は、吸収が始まる前に吸収塔への供給流を変えてしまいます。 高温の混合ガスが上流の熱交換器で冷却されると、凝縮性の蒸気が液体となり気相から離脱します。その結果、吸収塔にはより少ない総ガス流量、異なる平均分子量、および修正された溶質濃度が供給されるため、物質収支、気液比、除去効率、およびサイジングの計算をすべて更新する必要があります。

吸収塔の収支は、元の高温ガス供給量ではなく、凝縮後に残ったガスに基づいて計算しなければなりません。 熱交換器出口条件における凝縮量を算出し、それを気相ストリームから除外した上で、残りのガス流量を吸収塔の運転温度および圧力に換算します。

なぜ凝縮が吸収塔への供給流を変えるのか

凝縮は気相から物質を除去する

熱交換器の出口温度および圧力において、凝縮性成分が平衡蒸気圧を超える場合があります。その過剰分は液体として気相から離脱します。

単純な計算では、凝縮量は入口の蒸気量と出口の平衡条件で残存する蒸気量から求められます：

[ n_{\text{condensed}} = n_{\text{vapor,in}} - n_{\text{vapor,out}} ]

出口の蒸気量は、入口組成のみに基づくのではなく、熱交換器の出口温度と圧力に基づいて算出する必要があります。

全ガスモル流量が減少する

冷却後のガス流量は以下の通りです：

[ n_{\text{gas,out}} = n_{\text{gas,in}} - n_{\text{condensed}} ]

この減少した流量が、凝縮液が塔に入る前に除去されると仮定した場合の、吸収塔への実際のガス供給量となります。

元のガスに多量の水蒸気やその他の凝縮性キャリア成分が含まれている場合、この変化は非常に大きくなる可能性があります。

ガス組成が再正規化される

ある成分から液体を除去すると、その成分の気相モル分率が変化し、ガス中に残るすべての成分の相対濃度が変化します。

成分 (i) について：

[ y_{i,\text{absorber}} = \frac{n_{i,\text{gas,out}}} {n_{\text{gas,out}}} ]

これは、元の入口モル分率をそのまま下流に持ち込むだけでは、吸収塔への供給組成を求められないことを意味します。

逐次収支計算の実施方法

高温ガス入口から始める

入口ストリームを、時間あたりのキロモルなどの一貫した基準で定義します：

[ n_{\text{in}} = n_{\text{condensable,in}} + n_{\text{absorber-solute,in}} + n_{\text{inert,in}} ]

吸収塔の溶質は、アンモニア、酸性ガス、またはその他の化学的に反応する種である可能性があります。不活性ガスや非凝縮性成分は、通常のアップストリーム冷却では一般的に気相にとどまります。

冷却後に残存する蒸気を決定する

熱交換器の出口温度と圧力を使用して、どれだけの凝縮性蒸気が液相と平衡状態で残存できるかを決定します。

例えば水の場合、液体が存在する状態では、出口の蒸気分圧は出口温度における飽和蒸気圧を超えることはできません：

[ p_{\text{water}} = y_{\text{water}}P ]

計算された分圧が飽和蒸気圧を超える場合、平衡条件が満たされるまで凝縮が発生します。

より厳密な設計では、特にアンモニア、酸性ガス、またはその他の可溶性種が存在する場合、混合ガス全体の気液平衡データが必要になることがあります。

凝縮液を除去する

凝縮量はガスストリームから除去されます：

[ n_{\text{liquid}} = n_{\text{condensed}} ]

残りの気相成分量を吸収塔の入口として使用します。液体生成物の流量は質量流量に換算することもできます：

[ \dot{m}{\text{liquid}} = n{\text{liquid}}MW_{\text{liquid}} ]

この液体は水が主成分となることが多いですが、溶解した、あるいは同伴した吸収溶質が含まれている可能性もあります。

平均分子量を再計算する

凝縮後、ガスの平均分子量が変化します：

[ \overline{MW}_{\text{gas}} = \sum_i y_iMW_i ]

これは質量流量換算、ガス密度、空塔速度、および機器の計算に影響を与えます。

主要な蒸気成分を除去した後に元の平均分子量を保持したまま計算を行うと、質量流量と体積流量の整合性が取れなくなる可能性があります。

ガス流量を吸収塔条件に換算する

吸収塔に入るガス流量は、熱交換器出口の基準から吸収塔の運転条件に調整する必要があります：

[ \dot{V}_{2}

\dot{V}{1} \left(\frac{T{2}}{T_{1}}\right) \left(\frac{P_{1}}{P_{2}}\right) ]

非理想気体の場合は、圧縮係数の補正を含めます：

[ \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) ]

温度は絶対温度、圧力は一貫した絶対圧基準を使用する必要があります。

吸収塔の収支への影響

ガス側の物質収支は新しい供給条件から始まる

ガスから液体へ移動する溶質について：

[ n_{\text{solute,in}}

n_{\text{solute,out}} + n_{\text{solute,absorbed}} ]

入口項は、上流での凝縮後の溶質流量を表す必要があります。溶質自体が気体のままであれば、その絶対モル流量はほぼ変化しないかもしれませんが、キャリア蒸気が多く除去されるとモル分率は上昇します。

気液比が変化する

吸収塔の気液比は、修正されたガス流量と実際の吸収液流量に基づきます：

[ \frac{G}{L}

\frac{\text{吸収塔に入るガス流量}} {\text{液体吸収液流量}} ]

凝縮液が意図的に吸収液と混合される場合を除き、凝縮は通常 (G) を低下させます。これは操作線に影響を与え、必要な溶剤循環量に影響を及ぼす可能性があります。

溶質濃度が増減する場合がある

水のようなキャリア蒸気のみが凝縮する場合、残りのガスには非凝縮性溶質のモル分率が高く含まれます。絶対的な溶質モル流量が変わらなくても、吸収塔に入る見かけの溶質負荷が増加する可能性があります。

溶質も凝縮したり、凝縮液に溶解したり、同伴によって除去されたりすると、気相のモル流量は減少します。その場合、吸収塔の収支にはその上流での除去分を明示的に含める必要があります。

吸収塔のサイジングが変わる可能性がある

ガス流量は、空塔ガス速度とフラッディング限界を通じて塔径に影響を与えます。ガス体積が減少すると一般的に必要な断面積は小さくなりますが、修正された溶質濃度や熱力学的な駆動力によって、充填高さ、トレイの必要数、溶剤循環量、または除熱ニーズが変化する可能性があります。

したがって、正しいサイジング基準は、元の高温ガス条件ではなく、吸収塔入口におけるガス流量と組成です。

熱交換器性能との相互作用

凝縮は熱負荷に寄与する

蒸気が凝縮する際、熱交換器は顕熱と潜熱の両方を除去します：

[ Q = Q_{\text{sensible}} + Q_{\text{latent}} ]

潜熱の寄与は概ね以下の通りです：

[ Q_{\text{latent}} = n_{\text{condensed}}\Delta H_{\text{vap}} ]

この項を無視すると、必要な冷却負荷を過小評価し、達成可能な出口温度を誤って見積もる可能性があります。

液体出口を考慮する必要がある

熱交換器からは、冷却されたガスと凝縮液の2つの出口相が生じる可能性があります。凝縮液を吸収塔に入れない場合は、下流のセパレーター、ノックアウトドラム、または適切に設計されたドレンが必要です。

液体のキャリーオーバーが発生した場合、吸収塔への供給は乾燥ガスストリームではありません。収支には塔に入る液体およびそれに含まれる溶解溶質を含める必要があります。

凝縮はパイロットプラントの測定に影響する

流量計は異なる基準条件で流量を報告する場合があり、湿ガスと乾ガスの測定では基準が異なる場合があります。すべてのストリームを同じ温度、圧力、水分基準に合わせない限り、測定点間での凝縮は明らかな不一致を生じさせる可能性があります。

パイロット作業では、熱交換器の出口温度、圧力、凝縮速度、ガス流量の基準、および測定されたガスが湿っているか乾いているかを記録してください。

トレードオフの理解

すべての凝縮性蒸気が除去されると仮定する

成分の飽和温度以下に冷却しても、必ずしも完全に除去されるわけではありません。追加のコンデンサー、セパレーター、または乾燥工程で除去されない限り、出口ガスには平衡蒸気量が残ります。

出口の平衡条件を使用して残留蒸気を計算してください。

凝縮液を純溶剤として扱う

凝縮液には、吸収されたアンモニア、酸性ガス、溶解塩、または同伴された液滴が含まれている可能性があります。これを純水として扱うと、吸収塔に到達する溶質流量を過大評価し、液体生成物の濃度を過小評価する可能性があります。

溶質が非常に溶けやすい、または反応性が高い場合は、凝縮液の組成を分析または推定してください。

一貫した基準なしに体積組成を使用する

湿基準モル分率、乾基準モル分率、実際の体積流量、および標準体積流量は互換性がありません。これらの基準を混同すると、熱交換器と吸収塔の両方の収支が無効になる可能性があります。

まずモル単位で物質収支を実行し、その後必要な条件で質量または体積に換算してください。

凝縮が常に吸収性能を向上させると仮定する

ガス流量が小さくなると塔径や溶剤需要を減らせますが、溶質濃度が高くなると局所的な負荷が増加し、吸収の駆動力が変化する可能性があります。また、液体が適切に分離・管理されない場合、凝縮は閉塞、腐食、フラッディング、または液分散の問題を引き起こす可能性があります。

下流の機器は、修正された流量と修正された組成の両方を使用して評価する必要があります。

吸収塔の温度影響を無視する

吸収塔は熱交換器出口とは異なる温度で運転される場合があります。溶解度、反応平衡、蒸気圧、およびガス体積は、これらの場所間で変化する可能性があります。

したがって、吸収塔の収支は、ユニット間での再加熱、さらなる冷却、蒸発、または液体の追加を含め、実際の吸収塔入口条件から始めるべきです。

パイロットプラントへの適用方法

熱交換器から吸収塔までのストリームの物理的な経路に従う逐次計算を使用してください。

主な焦点が熱交換器の負荷にある場合： 出口の平衡条件から凝縮蒸気を計算し、その潜熱を冷却負荷収支に含めてください。
主な焦点が吸収塔のサイジングにある場合： 凝縮液を除去し、吸収塔条件でのガスモル流量および体積流量を再計算し、その修正流量を油圧設計に使用してください。
主な焦点が溶質除去にある場合： ガス、凝縮液、および吸収液中の溶質を個別に追跡し、上流での溶解や凝縮が誤って吸収塔の成果とされないようにしてください。
主な焦点がパイロットプラントのデータ照合にある場合： ストリームを比較する前に、すべての測定値を一貫したモル、温度、圧力、および湿/乾基準で表現してください。
主な焦点が液体生成物の回収にある場合： 凝縮液の組成を測定または推定し、溶解している吸収溶質を液体生成物の収支に含めてください。

信頼できる吸収塔の設計は、元の高温ガス供給からではなく、上流での凝縮後に実際に吸収塔に到達するストリームから始まります。

要約表：

項目	上流凝縮の影響	必要なアクション
ガス流量	全ガスモル流量が減少する	吸収塔供給量を計算する前に凝縮蒸気を除去する
ガス組成	残存溶質のモル分率が増加する場合がある	気相組成を再計算する
分子量	平均ガス分子量が変化する	質量流量、密度、速度を更新する
気液比	ガス流量と溶剤需要が変化する場合がある	操作線と溶剤量を再計算する
吸収塔サイジング	塔径、充填高さ、またはトレイの必要数が変わる可能性がある	吸収塔入口条件での流量と組成を使用する
熱交換器負荷	凝縮により潜熱負荷が加わる	収支に顕熱と潜熱の両方を含める
液体管理	凝縮液に溶質や液滴が含まれる可能性がある	セパレーターを使用し、凝縮液組成を追跡する
パイロット測定	湿/乾および基準条件の違いが結果を歪める可能性がある	一貫したモル基準ですべてのストリームを照合する

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