Fasediagrammen benutten om dampdrukkrommen nauwkeurig te voorspellen

Een fasediagram gebruiken voor dampdrukkrommen

Karim Mahraz, Swagelok Product Manager, Analytical Instrumentation

Hoewel fasediagrammen voornamelijk door chemisten in laboratoriumomgevingen worden gebruikt, kunnen deze tools verbazingwekkend nuttig zijn voor mechanische ingenieurs en fabrieksmanagers belast met steekproefanalyse. In sommige analytische systemen moet een vloeistofsteekproef omgezet worden in gas door verdamping voordat deze geanalyseerd kan worden. Verdamping is essentieel een balanceringsactie tussen temperatuur, druk en stroomvariabelen – en de dampdrukkrommen van een fasediagram stellen ingenieurs in staat om fasetransities voor afzonderlijke materialen en chemische verbindingen te identificeren.

Naarmate je verder leest, wordt een hypothetisch gasmengsel van 20% hexaan in pentaan toegepast als een compleet fasediagram (zie diagram hieronder). Wanneer de steekproef boven het bulbepunt (blauwe lijn) is, zal deze volledig in de vloeistofase zijn. Een steekproef moet in de vloeistoftoestand blijven wanneer deze de verdamper binnenkomt. Wanneer een steekproef onder het dauwpunt (gouden lijn) is, is het volledig damp. De steekproef moet volledig damp zijn wanneer deze de verdamper verlaat.

Tussen de bulbepunt- en dauwpuntlijnen ligt de "no-go zone". Deze zone vertegenwoordigt het kookbereik van de steekproef. Hier is het mengsel in twee fasen: deels vloeistof en deels damp. Eenmaal een steekproef in de no-go zone valt, is het gefractioneerd en niet langer geschikt voor analyse. Het doel van verdamping is om de temperatuur, stroom en druk in te stellen zodat de steekproef direct springt van de vloeistofkant van de no-go zone naar de dampkant. Met pure en bijna pure steekproeven is er weinig tot geen kookbereik of no-go zone. De bulbepunt- en dauwpuntlijnen liggen simpelweg op elkaar of bijna.

Pure en bijna pure steekproeven zullen omzetten in damp van dezelfde samenstelling, ofwel door verdamping of verdamping. Sommige industriële steekproeven benaderen dit zuiverheidsniveau en converteren redelijk gemakkelijk. Aan de andere kant hebben sommige steekproeven een zo wijd kookbereik of no-go zone dat ze niet met succes kunnen worden verdampt. Er is geen manier voor dergelijke steekproeven om van de vloeistofkant van de no-go zone naar de dampkant te springen. In dit geval kunnen variabelen niet gemanipuleerd worden om fractionering te voorkomen.

In het boven getoonde diagram is de band tussen bulbepunt en dauwpunt smal genoeg dat met de juiste instellingen de steekproef effectief kan springen van de vloeistofkant van de no-go zone naar de dampkant. Tegelijkertijd is de band in het diagram wijd genoeg dat men niet onzorgvuldig kan zijn.

Temperatuur, druk en stroom instellen

Voortgaand met de steekproef in het diagram (20 procent hexaan in pentaan), moeten invoeren vaardig ingesteld worden om succesvolle verdamping te garanderen. In het algemeen is hoge druk en lage temperatuur nodig aan de ingang. Omgekeerd, aan de uitgang is hoge temperatuur en lage druk nodig. Er zijn limieten aan hoe hoog en laag deze parameters kunnen zijn, en niet elke beperking kan gecontroleerd worden.

1. Bepaal de ingangsdruk bij je verdamper

De ingangsdruk, die vastligt, is de procesdruk – mits de verdamper zich in de buurt van de steekproefaftapping bevindt. In het voorbeelddiagram is die druk 4 bar. Hogere druk is beter omdat het de verdamper in staat stelt de temperatuur hoger te houden zonder de binnenkomende vloeistof te laten koken.

2. Stel de ingangstemperatuur in

Bij het instellen van de ingangstemperatuur zijn er twee doelen. Ten eerste moet de temperatuur laag genoeg zijn zodat wanneer de steekproef de verdamper binnenkomt, deze volledig een vloeistof is. In het voorbeelddiagram is het bulbepunt bij 4 bar 88°C. Om fractionering te bewaken, is het best om een rond getal te kiezen ver genoeg weg van 88°C om de no-go zone te vermijden. Een veilige voorbeeldtemperatuur zou 80°C kunnen zijn.

Het tweede doel is de temperatuur hoog genoeg te houden om bij te dragen aan het complete verdampen van de steekproef – zodat alleen damp de verdamper verlaat. Bij het verdampen van een steekproef daalt de temperatuur in overeenstemming met de wetten van energiebehoud. De steekproeftemperatuur moet aan het begin hoog genoeg zijn zodat na de druppel de steekproef niet in de no-go zone valt. In het voorbeelddiagram is de damtemperatuur na de druppel 60°C – net aan de dampkant van de dauwpuntlijn.

3. Stel de uitgangsdruk in

Bij het instellen van de uitgangsdruk is het doel om de druk onder de dauwpuntlijn te brengen. In het voorbeelddiagram is de uitgangsdruk ingesteld op 1,5 bar. Als de uitgangsdruk hoger zou zijn, zou de steekproef niet volledig verdampen en fractioneren.

4. Stel de stroom in

Stroom wordt stroomafwaarts ingesteld aan een klep en rotameter, niet aan de verdamper. In een steekproefsysteem is hoge dampstroom wenselijk omdat het de steekproef sneller naar de analyzer beweegt. Hoge stroom kan echter problematisch zijn omdat meer warmte nodig is om de steekproef te verdampen. Met andere woorden, hoge stroom resulteert in een groter temperatuurdrop op het moment van verdamping. In het voorbeelddiagram illustreert de paarse lijn het temperatuurdrop. Naarmate de stroom toeneemt, daalt de temperatuur scherp.

Een andere variabele die het temperatuurdrop beïnvloedt, is het warmteoverdrachtsvermogen van de verdamper. Sommige verdampers zijn zo geconstrueerd dat warmte efficiënter naar de steekproef overgedragen wordt. Wanneer de vloeistofsteekproef omzet in damp en de temperatuur daalt, trekt het warmte van het roestvrije staal dat het omringt. De cruciale vraag is hoe efficiënt de verdamper de warmte kan vervangen en doorstroom naar de steekproef. Hoe meer warmte de steekproef kan ontlenen, hoe minder de temperatuur daalt tijdens verdamping. In sommige gevallen is het mogelijk dat de verdamper aan de buitenkant heet is aan te voelen maar koud in de kern. Dat is omdat de verdampte steekproef een grote hoeveelheid warmte ontneemt en de verdamper niet genoeg energie kan overdragen om bij te benen. De beste oplossing is om de stroom te verminderen.

Kortom, het temperatuurdrop gevisualiseerd in het diagram is een product van de stroomsnelheid en het warmteoverdrachtsvermogen van de verdamper. Met een goedkwaliteit verdamper en lage stroomsnelheid zal de lijn in het diagram meer verticaal worden. Helaas is er geen gemakkelijke manier om de precieze locatie van het temperatuurdrop binnen een fasediagram te berekenen, en kan het niet gegenereerd worden door enig bekende softwareprogramma. Als resultaat omvat verdamping enige benadering. Als duimregel, houd de stroomsnelheid zo laag mogelijk zonder een onacceptabele vertraging in de reistijd van de steekproef naar de analyzer te veroorzaken. Het is beter om te beginnen met een lage stroomsnelheid en te experimenteren door het te verhogen dan om te beginnen met een initiël hogere stroomsnelheid.

Voor aanvullende hulp bij analytische instrumentatie en steekproefsysteem best practices met behulp van fasediagram dampdrukkrommen, neem contact op met je lokale Swagelok verkoop- en servicecentrum.