Verdamping in bemonsteringssystemen beheren

Verdamping in bemonsteringssystemen beheren

Jon Kestner

Het is niet eenvoudig om een ​​monster te verdampen, en het is ook niet altijd mogelijk. Als de analysator in uw analytische bemonsteringssysteem echter gas nodig heeft, maar het monster is vloeibaar, dan is de enige optie om de vloeistof om te zetten in gas. Dit proces wordt verdamping of flitsverdamping genoemd. Het doel is om een ​​monster van alle vloeistof onmiddellijk in damp om te zetten zonder de samenstelling te veranderen.

Als je doorgaat met verdampen, is het belangrijk om het verschil tussen verdampen en verdampen te begrijpen. Verdamping vindt geleidelijk plaats met een stijging van de temperatuur. Verdamping vindt onmiddellijk plaats met een drukval.

Het is niet mogelijk om een ​​monster te verdampen door de temperatuur te verhogen. Warmte veroorzaakt verdamping en het toevoegen van meer warmte zorgt ervoor dat verdamping sneller gebeurt. In een gemengd monster zorgt verdamping ervoor dat sommige verbindingen eerder verdampen dan andere, wat resulteert in fractionering. Verdamping, indien correct uitgevoerd, zorgt ervoor dat alle verbindingen tegelijkertijd verdampen, waarbij de samenstelling van het monster behouden blijft.

Er kunnen dingen misgaan bij het verdampen. In plaats van het hele monster in een damp te flashen, zou je onbedoeld een combinatie van verdamping en verdamping kunnen veroorzaken, wat resulteert in fractionering. Zodra een monster van gemengde verbindingen fractioneert, is het niet langer geschikt voor analyse.

Bij fractionering is een veelvoorkomend scenario dat lichtere moleculen eerst verdampen en verder gaan naar de analysator, terwijl de zwaardere moleculen in de vloeibare fase achterblijven. Zelfs als op een later moment in het proces een gefractioneerd monster volledig uit gas blijkt te bestaan, zal het mengsel niet dezelfde moleculaire proporties hebben als vóór de fractionering. Het zal niet langer een nauwkeurige weergave zijn van het product uit de proceslijn. Het aanpassen van procesvariabelen - temperatuur, druk en stroom - kan helpen zorgen voor een goede verdamping en een nauwkeurig analytisch resultaat.

Verdamping begrijpen

Om een ​​monster te verdampen, gebruikt men meestal een verdampingsregelaar, ook wel een verdamper genoemd. Een verdamper is een drukverlagende regelaar met het vermogen om op precies de juiste plaats warmte aan het monster af te geven. Verdamping bestaat uit een proces in drie fasen, zoals te zien is in het onderstaande diagram. Eerst komt het monster als vloeistof in de verdampingsregelaar. Op dit punt mag de vloeistof niet koken.

Ten tweede gaat de vloeistof door de regelholte in de verdampingsregelaar, wat resulteert in een ernstige en plotselinge drukval die de vloeistof verdampt. Tegelijkertijd wordt warmte toegepast, waardoor de verdampte vloeistof een damp blijft.

Ten derde verlaat het monster, nu een gas, de verdampingsregelaar en gaat het naar de analysator om te worden gelezen. Door de onmiddellijke overgang naar de dampfase is de samenstelling van het gas ongewijzigd ten opzichte van die van de vloeistof, waardoor een nauwkeurige meting wordt gegarandeerd.

In dit delicate proces zijn er veel variabelen of inputs die het succes of falen bepalen. Voor het doel van deze discussie zullen we ons concentreren op twee hoofdreeksen inputs.

De eerste set inputs heeft betrekking op de samenstelling van de steekproef. Afhankelijk van de samenstelling zal het monster beginnen te bubbelen en zal het verdampen bij verschillende drukken en temperaturen. We zullen moeten weten wat deze drukken en temperaturen zijn om het proces met succes te beheren.

De tweede set inputs betreft instellingen die u regelt in uw bemonsteringssysteem:druk, temperatuur en flow. Druk en temperatuur worden geregeld bij de verdamper, terwijl de stroom stroomafwaarts wordt geregeld met een rotameter (stroommeter met variabel gebied) en naaldventiel. Deze invoer wordt ingesteld op basis van wat we weten over de eerste reeks invoer. Een goede verdamping vereist een delicate balans van elke input. Zelfs bij het benaderen van verdamping op een systematische manier als deze, vereist het proces wat vallen en opstaan.

Het voorbeeld begrijpen

De beste manier om de eerste set ingangen te begrijpen, is met een fasediagram. Een fasediagram geeft druk en temperatuur weer en laat bij elk paar omstandigheden zien of een stof damp, vloeibaar of vast is. De lijnen geven de raakvlakken tussen twee fasen aan.

Onderstaande grafiek geeft een fasediagram weer voor 20 procent hexaan in pentaan. Wanneer het monster zich boven het bubbelpunt (blauwe lijn) bevindt, is het allemaal vloeibaar. Het monster moet helemaal vloeibaar zijn wanneer het in de verdamper komt. Wanneer het mengsel onder het dauwpunt (gouden lijn) is, is het allemaal damp. Het monster moet helemaal damp zijn wanneer het de verdamper verlaat.

Fasediagram met 20 procent hexaan in pentaan, met temperatuurinstellingen

Tussen de bubbelpunt- en dauwpuntlijnen bevindt zich het kookbereik, of "no-go-zone" van het monster. Hier is het mengsel in twee fasen:deels vloeibaar en deels damp. Zodra een monster binnen dit bereik valt, wordt het gefractioneerd en is het niet langer geschikt voor analyse.

Met pure en bijna pure monsters is er weinig of geen kookbereik. De bubbelpunt- en dauwpuntlijnen zijn bijna over elkaar heen gelegd. Zuivere en bijna zuivere monsters worden omgezet in damp van dezelfde samenstelling, hetzij door verdamping of verdamping. Sommige industriële monsters benaderen dit niveau van zuiverheid en kunnen gemakkelijk worden omgezet.

Aan de andere kant hebben sommige monsters zo'n breed kookbereik dat ze niet met succes kunnen worden verdampt. Er is geen manier om van de vloeistofzijde naar de dampzijde van het kooktraject te gaan. De variabelen - temperatuur, stroom en druk - kunnen niet worden gewijzigd om fractionering te voorkomen.

De meeste steekproeven vallen tussen deze twee uitersten. In het monsterfasediagram is de band tussen het borrelpunt en het dauwpunt bijvoorbeeld smal genoeg zodat met de juiste instellingen het monster effectief van de vloeistofzijde naar de dampzijde van het kooktraject kan gaan. Tegelijkertijd is de band in breed genoeg dat de variabelen zorgvuldig moeten worden gewijzigd om te voorkomen dat een monster in het kookbereik komt.

Temperatuur, druk en stroom instellen

Verdamping is een evenwichtsoefening tussen de variabelen. Het volgende is een proces in vier stappen voor het instellen van invoer voor uw temperatuur, druk en debiet.

1. Bepaal de inlaatdruk bij de verdamper. Deze druk, die vast staat, is de procesdruk, mits de verdamper zich dicht bij de monsterkraan bevindt. Hogere druk is beter omdat het een hogere verdampertemperatuur mogelijk maakt, zonder dat de binnenkomende vloeistof kookt.

2. Stel de inlaattemperatuur in. Er zijn twee doelen bij het instellen van de temperatuur. Ten eerste moet de temperatuur laag genoeg zijn zodat het monster, wanneer het de verdamper binnenkomt, volledig vloeibaar is en niet borrelt. In het 20 procent hexaan in pentaan fasediagram is het borrelpunt bij 4 bar 88°C. Om een ​​foutmarge toe te staan ​​bij het handhaven van de vloeibare toestand, kiest u 80°C.

   De tweede doelstelling is dat de temperatuur hoog genoeg moet zijn om bij te dragen aan de verdamping van het monster. Wanneer je het monster verdampt, daalt de temperatuur, in overeenstemming met de wetten van energiebesparing. De temperatuur van het monster moet in het begin hoog genoeg zijn, zodat het monster na de drukval niet in het kookbereik komt.

3. Stel de uitlaatdruk bij de verdamper in. Het doel is om de druk onder de gouden dauwpuntlijn te laten dalen. In het voorbeeldfasediagram is de uitlaatdruk ingesteld op 1,5 bar. Als de uitlaatdruk in dit voorbeeld hoger zou zijn, zou het monster niet volledig verdampen en fractioneren.
4. Stroom instellen. De stroom wordt stroomafwaarts ingesteld bij een klep en rotameter, niet bij de verdamper. In een bemonsteringssysteem is een hoge dampstroom wenselijk omdat het monster hierdoor sneller naar de analysator wordt geleid. Een hoge stroom kan echter ook problematisch zijn, omdat er meer warmte nodig is om het monster te verdampen. Met andere woorden, een hoge stroom resulteert in een grotere temperatuurdaling op het moment van verdamping. In het voorbeeldfasediagram illustreert de paarse lijn de temperatuurdaling. Naarmate de stroom toeneemt, buigt de paarse lijn scherper naar links.

Een andere variabele die de temperatuurdaling beïnvloedt, is het warmteoverdrachtsvermogen van de verdamper. Sommige verdampers zijn zo geconstrueerd dat de warmte efficiënter naar het monster wordt overgebracht. Wanneer het vloeibare monster wordt omgezet in een damp en de temperatuur daalt, onttrekt het warmte aan het omringende roestvrij staal. De cruciale vraag is hoe efficiënt de verdamper die warmte kan vervangen en naar het monster kan laten stromen. Hoe meer warmte het monster kan trekken, hoe minder de temperatuur daalt tijdens de verdamping.

In sommige gevallen is het mogelijk dat de verdamper aan de buitenkant heet aanvoelt, maar van binnen koud is. Dat komt omdat het verdampte monster veel warmte trekt en de verdamper niet genoeg warmte kan overbrengen om bij te blijven. De beste oplossing is om de stroom te verminderen.

Verdamping omvat enige benadering. De technici van Swagelok Field Service kunnen uw team helpen bij het bepalen van de juiste verdampers voor uw specifieke monsternamesysteem. Houd als vuistregel het debiet zo laag mogelijk zonder een onaanvaardbare vertraging in de reistijd van het monster naar de analysator te veroorzaken. Het is beter om te beginnen met een laag debiet en te experimenteren met het verhogen ervan dan om te beginnen met een hoger debiet.

Problemen oplossen

Fasediagrammen helpen bij het benaderen van temperatuur-, druk- en stroominstellingen, maar er zal nog steeds enige probleemoplossing nodig zijn. Een zekere indicatie van een probleem is een slechte herhaalbaarheid in de resultaten van de analyser. Hieronder brengen we twee mogelijkheden naar voren wanneer het monster fractioneert in plaats van verdampt, waarbij probleem #1 het meest voorkomt:

Probleem #1

Slechts een deel van het monster wordt verdampt. Vloeistof gaat door de verdamper en blijft in de slang aan de stroomafwaartse zijde. Uiteindelijk verdampt het en onttrekt het warmte aan de omringende slangen, waardoor de slang koud aanvoelt of vorst of ijs vormt. Vloeistof aan de stroomafwaartse zijde van de verdamper kan buiten het gebied van de regelaar komen en in andere componenten, zoals flowmeters en filters, waar het aanzienlijke schade kan veroorzaken.

Oplossing #1

Om dit probleem op te lossen, zou de beste optie zijn om het debiet te verlagen. Een andere optie zou zijn om de uitlaatdruk van de verdamper te verlagen, als dat mogelijk is. Een derde optie zou zijn om de warmte naar de regelaar te verhogen, maar met het extra risico dat de levensduur van de verdamper wordt verkort en mogelijk probleem 2 wordt veroorzaakt (zie hieronder).

Probleem #2

Het monster kookt bij de inlaat van de verdamper. Het fractioneert voordat het kan worden verdampt. Een indicator van dit probleem is dat de inlaatbuis naar de verdamper trilt, soms heftig, en de meetwaarden oscilleren. Lichtere moleculen verdampen en produceren een grote wolk van dampmoleculen. Sommige van deze lichtere moleculen gaan naar de analysator en geven een onnauwkeurige analyse. De rest creëert een "dampmuur", die de vloeistof terug in het proces duwt. Een deel van die dampwand koelt dan af en condenseert. Ten slotte beweegt het vloeibare monster weer naar de verdamper, waar de lichtere moleculen verdampen en de cyclus helemaal opnieuw begint. Uiteindelijk bereiken de zwaardere moleculen de verdamper en gaan ze naar de analysator, wat een heel andere analyse oplevert.

Oplossing #2

Om dit probleem op te lossen, verlaagt u de temperatuur van de verdamper.

Conclusie

Het verdampen van een vloeibaar monster is een uitdaging. In veel bemonsteringssystemen over de hele wereld fractioneren verdampers voortdurend monsters en sturen ze niet-representatieve monsters naar de analysator. U kunt uw kansen op succes drastisch vergroten door een fasediagram te gebruiken van het specifieke mengsel van verbindingen van uw systeem. U kunt uw slagingspercentage verder verhogen door te begrijpen wat er in het proces gebeurt, met name door te weten wat de variabelen zijn (temperatuur, druk en stroming) en door hun rol te begrijpen bij het beïnvloeden van het procesresultaat. Met dit raamwerk kunt u de juiste instellingen bereiken en aanpassen aan de tekenen en symptomen die u waarneemt.