Verdamping in steekproefsystemen beheersen: Een praktische gids

Hoe verdamping in steekproefsystemen te managen

Jon Kestner

Het is niet makkelijk om een steekproef te verdampen, noch is het altijd mogelijk. Echter, als de analyzer in je analytisch steekproefsysteem gas vereist, maar de steekproef vloeistof is, is de enige optie om de vloeistof om te zetten in gas. Dit proces heet verdamping of flash verdamping. Het doel is om een steekproef van volledig vloeistof direct om te zetten in damp zonder de samenstelling te veranderen.

Als je doorgaat met verdamping, is het belangrijk om het verschil tussen verdamping en verdamping te begrijpen. Verdamping treedt geleidelijk op met een toename in temperatuur. Verdamping treedt direct op met een druppel.

Het is niet mogelijk om een steekproef te verdampen door de temperatuur te verhogen. Warmte veroorzaakt verdamping, en meer warmte toevoegen zorgt ervoor dat verdamping sneller gebeurt. In een gemengde steekproef zal verdamping ervoor zorgen dat sommige verbindingen eerder verdampen dan anderen, wat resulteert in fractionering. Verdamping, wanneer correct uitgevoerd, zorgt ervoor dat alle verbindingen op hetzelfde moment verdampen, de steekproefsamenstelling behoudend.

Dingen kunnen misgaan bij verdamping. In plaats van de hele steekproef in een damp te flitsen, kun je onbedoeld een combinatie van verdamping en verdamping veroorzaken, wat resulteert in fractionering. Eenmaal een steekproef van gemengde verbindingen gefractioneerd is, is het niet langer geschikt voor analyse.

Bij fractionering is een veelvoorkomend scenario dat lichtere moleculen eerst verdampen en naar de analyzer reizen, terwijl zwaardere moleculen achterblijven in de vloeistofase. Zelfs als op een later moment in het proces een gefractioneerde steekproef lijkt volledig gas te zijn, zal het mengsel niet in dezelfde moleculaire verhoudingen zijn als voor fractionering. Het zal niet langer het product nauwkeurig vertegenwoordigen dat uit de proceslijn genomen is. Het aanpassen van procesvariabelen – temperatuur, druk en stroom – kan helpen om correcte verdamping en een nauwkeurig analytisch resultaat te garanderen.

Verdamping begrijpen

Om een steekproef te verdampen, gebruikt men typisch een verdampende regulator, ook wel verdamper genoemd. Een verdamper is een drukverlagende regulator met de capaciteit om warmte over te dragen aan de steekproef op de juiste locatie. Verdamping bestaat uit een drie-stappenproces, zoals te zien in het diagram hieronder. Ten eerste komt de steekproef de verdampende regulator binnen als vloeistof. Op dit moment moet de vloeistof niet koken.

Ten tweede passeert de vloeistof de regeleringskamer in de verdampende regulator, wat resulteert in een hevige en plotselinge druppel die de vloeistof verdampt. Tegelijkertijd wordt warmte toegepast, waardoor de verdampte vloeistof een damp blijft.

Ten derde verlaat de steekproef, nu een gas, de verdampende regulator en reist naar de analyzer om gelezen te worden. Door de directe overgang naar de dampfase, is de samenstelling van het gas onveranderd ten opzichte van die van de vloeistof, wat een nauwkeurige meting garandeert.

In dit delicaat proces zijn er veel variabelen of invoeren die succes of falen bepalen. Voor het doel van deze discussie zullen we ons richten op twee hoofdsets invoeren.

De eerste set invoeren betreft de samenstelling van de steekproef. Afhankelijk van de samenstelling, zal de steekproef beginnen te bellen en op verschillende drukken en temperaturen verdampen. We moeten weten wat deze drukken en temperaturen zijn om het proces met succes te managen.

De tweede set invoeren betreft instellingen die je in je steekproefsysteem controleert: druk, temperatuur en stroom. Druk en temperatuur worden gecontroleerd aan de verdamper, terwijl stroom downstream gecontroleerd wordt aan een rotameter (variabele gebiedsstroommeter) en naalddop. Deze invoeren worden ingesteld op basis van wat we weten over de eerste set invoeren. Correcte verdamping vereist een delicaat balans van elke invoer. Zelfs bij benadering van verdamping op een systematische manier, vereist het proces enige trial and error.

De steekproef begrijpen

De beste manier om de eerste set invoeren te begrijpen is met een fasediagram. Een fasediagram plottet druk en temperatuur, waarbij op elk paar condities getoond wordt of een stof damp, vloeistof of vast zal zijn. De lijnen geven de interfaces tussen twee fasen aan.

Het onderstaande grafiek vertegenwoordigt een fasediagram voor 20 procent hexaan in pentaan. Wanneer de steekproef boven het bulbepunt (blauwe lijn) is, is het volledig vloeistof. De steekproef moet volledig vloeistof zijn wanneer het de verdamper binnenkomt. Wanneer het mengsel onder het dauwpunt (gouden lijn) is, is het volledig damp. De steekproef moet volledig damp zijn wanneer het de verdamper verlaat.

Fasediagram voor 20 procent hexaan in pentaan, met temperatuurinstellingen

Tussen de bulbepunt- en dauwpuntlijnen ligt het kookbereik, of "no-go-zone" van de steekproef. Hier is het mengsel in twee fasen – deels vloeistof en deels damp. Eenmaal een steekproef in dit bereik valt, is het gefractioneerd en niet langer geschikt voor analyse.

Met pure en bijna pure steekproeven is er weinig, zo niet, kookbereik. De bulbepunt- en dauwpuntlijnen liggen bijna op elkaar. Pure en bijna pure steekproeven zullen converteren naar damp van dezelfde samenstelling, ofwel door verdamping of verdamping. Sommige industriële steekproeven benaderen dit zuiverheidsniveau en converteren gemakkelijk.

Aan de andere kant hebben sommige steekproeven een zo wijd kookbereik dat ze niet met succes kunnen worden verdampt. Er is geen manier om van de vloeistofkant naar de dampkant van het kookbereik te passeren. De variabelen – temperatuur, stroom en druk – kunnen niet gewijzigd worden om fractionering te voorkomen.

De meeste steekproeven vallen tussen deze twee extremen. Bijvoorbeeld, in het steekproeffasediagram, is de band tussen bulbepunt en dauwpunt smal genoeg zodat met de juiste instellingen de steekproef effectief kan passeren van de vloeistofkant naar de dampkant van het kookbereik. Tegelijkertijd is de band wijd genoeg dat de variabelen zorgvuldig gewijzigd moeten worden om te voorkomen dat een steekproef in het kookbereik komt.

Temperatuur, druk en stroom instellen

Verdamping is een balanceringsactie tussen de variabelen. Het volgende is een vier-stappenproces voor het instellen van invoeren voor je temperatuur, druk en stroom.

1. Bepaal de ingangsdruk aan de verdamper. Deze druk, die vastligt, is de procesdruk, mits de verdamper dicht bij de steekproefaftapping ligt. Hogere druk is beter omdat het een hogere verdampingtemperatuur toestaat, zonder de binnenkomende vloeistof te laten koken.

2. Stel de ingangstemperatuur in. Er zijn twee doelen bij het instellen van de temperatuur. Ten eerste moet de temperatuur laag genoeg zijn dat wanneer de steekproef de verdamper binnenkomt het volledig een vloeistof is en niet bellet. In het 20 procent hexaan in pentaan fasediagram is het bulbepunt bij 4 bar 88°C. Om een marge van fout in het behoud van de vloeistoftoestand toe te staan, kies 80°C.

   Het tweede doel is dat de temperatuur hoog genoeg moet zijn om bij te dragen aan de verdamping van de steekproef. Wanneer je de steekproef verdampt, 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 het kookbereik is.

3. Stel de uitgangsdruk aan de verdamper in. Het doel is om de druk onder de gouden dauwpuntlijn te brengen. In het voorbeelddiagram is de uitgangsdruk ingesteld op 1,5 bar. Als de uitgangsdruk in dit voorbeeld hoger zou zijn, zou de steekproef niet volledig verdampen en fractioneren.
4. Stel stroom in. Stroom wordt downstream 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 ook 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, kantelt de paarse lijn scherper naar links.

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 die warmte kan vervangen en doorsturen 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 veel warmte trekt en de verdamper niet genoeg warmte kan overdragen om bij te benen. De beste oplossing is om de stroom te verminderen.

Verdamping omvat enige benadering. Swagelok Field Service ingenieurs kunnen jouw team helpen de juiste verdampers te bepalen voor jouw specifieke steekproefsysteem. Als duimregel, houd de stroomsnelheid zo laag mogelijk zonder een onacceptabele tijdsvertraging in de reistijd van de steekproef naar de analyzer te veroorzaken. Het is beter om te beginnen met een lage stroomsnelheid en te experimenteren met het verhogen ervan dan om te beginnen met een hogere stroomsnelheid.

Probleemoplossing

Fasediagrammen helpen om temperatuur, druk en stroom instellingen te benaderen, maar enige probleemoplossing zal nog steeds vereist zijn. Een zeker aanwijzing van een probleem is slechte herhaalbaarheid in analyzerresultaten. Hieronder brengen we twee mogelijkheden aan wanneer de steekproef fractioneert in plaats van verdampt, met probleem #1 als de meest voorkomende:

Probleem #1

Alleén een deel van de steekproef wordt verdampt. Vloeistof passeert de verdamper en blijft in de buizen aan de downstream kant. Uiteindelijk verdampt het, en trekt warmte van de omringende buizen, waardoor de buizen koud aanvoelen of rijp of ijs vormen. Vloeistof aan de downstream kant van de verdamper kan verder gaan dan het gebied van de regulator en in andere componenten, zoals stroommeters en filters, waar het aanzienlijke schade kan veroorzaken.

Oplossing #1

Om dit op te lossen, is de beste optie om de stroomsnelheid te verlagen. Een andere optie zou zijn om de verdamper uitgangsdruk te verlagen, als dat mogelijk is. Een derde optie zou zijn om de warmte aan de regulator te verhogen, maar met het toegevoegde risico op reductie van verdamperlevensduur en potentieel veroorzaken van probleem #2 (zie hieronder).

Probleem #2

De steekproef kookt aan de ingang van de verdamper. Het fractioneert voordat het verdampt kan worden. Een indicator van dit probleem is dat de inlaatbuis naar de verdamper trilt, soms hevig, en de meetwaarden oscilleren. Lichtere moleculen verdampen en produceren een groot wolkje dampmoleculen. Sommige van deze lichtere moleculen bewegen naar de analyzer, wat een onnauwkeurige analyse geeft. De rest creëert een "dampmuur", die de vloeistof terug duwt in het proces. Een deel van die dampmuur koelt dan af en condenseert. Uiteindelijk beweegt de vloeistofsteekproef weer naar de verdamper, waar de lichtere moleculen verdampen, de cyclus begint opnieuw. Uiteindelijk bereiken de zwaardere moleculen de verdamper en bewegen naar de analyzer, wat een volledig andere analyse geeft.

Oplossing #2

Om dit op te lossen, verlaag de verdamper temperatuur.

Conclusie

Een vloeistofsteekproef verdampen is uitdagend. In veel steekproefsystemen over de hele wereld fractioneren verdampers constant steekproeven en sturen onrepresentatieve steekproeven naar de analyzer. Je kunt je kansen op succes dramatisch vergroten door een fasediagram van je systeem's specifieke mengsel van verbindingen te gebruiken. Je kunt je succeskans verder vergroten door te begrijpen wat er in het proces gebeurt – specifiek, door te weten wat de variabelen zijn (temperatuur, druk en stroom) en hun rol te begrijpen in het beïnvloeden van het procesresultaat. Met dit framework op zijn plaats, kun je de juiste instellingen bereiken, aanpassend volgens de tekens en symptomen die je observeert.