Absenkung des Messgastaupunktes

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1 72 Absenkung des Messgastaupunktes Konzentrationsänderungen und Auswashung von Shadgasen und eruhsstoffen Peter Boeker Institut für Landtehnik, Universität Bonn Zur Konditionierung von feuhten Messgasströen werden Messgaskühler gesetzt. In ihnen wird der Taupunkt auf niedrigeres Niveau abgesenkt. Mit dieser Absenkung ist e Kondensation der übershüssigen asserenge verbunden. Zwei daraus resultiere Effekte beflussen die Konzentration von Shadgasen und eruhsstoffen. Durh die Kondensation es Teils der Feuhte verringert sih der esatgasstro. Daher steigen die Konzentrationen der anderen askoponenten an. Bei wasserlöslihen Koponenten tritt allerdings zusätzlih e Auswashung durh Absorption i Kondensat auf. Die Konzentration dieser Koponenten verringert sih. Beide Effekte werden vo rad der Taupunktsenkung und von der Teperatur i Kühler beflußt. Bei tiefen Teperaturen steigt die aslöslihkeit und die kondensiere asserenge an. Daher treten hier die größten Auswashungen auf. Bei eruhsstoffen uß der Effekt der Auswashung besonders berüksihtigt werden. U durh die Riehshleihaut zu den Rezeptoren zu gelangen, üssen eruhsstoffe wasserlöslih s. Je nah röße der asserlöslihkeit ergeben sih untershiedlihe Konzentrationsvershiebungen. Der resultiere eruhsdruk kann sih durh die Veränderung der relativen Zusaensetzung daher stark ändern. Die alternative Verdünnung des Messgases it trokener Luft zur Senkung des Taupunktes resultiert in erheblihen Konzentrationsverringerungen. I Beitrag werden die grundlegen Vorgänge und Methoden zur Berehnung der Effekte vorgestellt. Shlüsselwörter Aoniak, Messgaskühler, Auswashung, Taupunkt, eruh, Elektronishe Nase Einleitung Der asseranteil i Messgas uß bei Messungen gerade von biologishen Quellen ier berüksihtigt werden. Stets finden die Stoffbildungen und freisetzungen in feuhte Mediu statt, dazu kot erhöhtes Teperaturniveau durh die biologishen Stoffusetzungen. Bei der Beprobung von eittieren Kopostierungen oder Biofiltern können Teperaturen u C auftreten, die Messgasströe sind wassergesättigt it entsprehen Taupunkten. Mit beheizten Messgasleitungen kann das as ohne Kondensation weitergeleitet werden. Ein Proble tritt bei der Konzentrationsessung ier dann auf, wenn der asanalysator bauart- und essprinzipbedingt bei er unterhalb des Taupunktes liegen Teperatur betrieben wird. Eine Verringerung der asfeuhte ist dann niht zu vereiden und uß kontrolliert durhgeführt werden. Die Standardethode besteht i Einsatz es Messgaskühlers (siehe Bild ), der bei intensive Kontakt des Messgases it gekühlten andflähen e kontrollierte Absenkung des Taupunktes siherstellt. Das entstehe Kondensat wird kontinuierlih it er Kondensatpupe abgeführt. [] Absenkung des astaupunktes Bei Betrieb von Messgaskühlern ist e Teperatur von 5 C häufig, wodurh e weitgehe Kondensation des asseranteils sihergestellt wird. In Tabelle ist der relative Anteil des assers bei vershiedenen Taupunkten angegeben. Bei 5 C ist der asseranteil nur,54%, bei 7 C dagegen 2,74% auf die gesate Luftasse (inkl. des assers) bezogen. Die Differenz, rund 2%, wird durh Kondensation de Messgasstro entzogen. Die Voluenverhältnisse des asseranteils zu Anteil trokener Luft sind noh erhebliher. Bei 5 C besteht,87 Vol% des ases aus asser, bei 7 C dagegen bereits 44,52 Vol%. Der oben genannte Entzug von 2% der esatasse bedeutet deshalb sogar den Entzug von rund 44% des asvoluens. Der rund liegt i Molassenuntershied vo leihten asser (8 g/ol) zur shwereren Luft (28,94 g/ol), der nah de idealen asgesetz zu e entsprehen Voluenverhältnis führt. Da sih alle Konzentrationen von Shadgasen oder eruhsstoffen auf das gesate asvoluen beziehen, steigen diese Konzentrationen daher bei starken Taupunktabsenkungen durh den Volueneffekt erheblih an. Die erte der Tabelle werden durh die folgen Beziehungen berehnet [2]: M p d () M Luft pges pd it M 8,6 [kg/kol] und M Luft 8,96 [kg/kol] (ittleres Molekulargewiht). Der Partialdruk des assers p d wird über den Sättigungsdapfdruk p s und die relative Feuhte rf berehnet: pd rf p s (2) aus Kühlantel Isolation Kondensatpupe Bild : Prinzipbild es Messgaskühler zur Verringerung des Taupunktes

2 Agrartehnishe Forshung 7 (2) Heft 3, S Tabelle : asseranteile bei vershiedenen Taupunkten, Bezug auf Anteil trokener Luft und auf gesates as T C kg /kg L,54%,76%,47% 2,72% 4,89% 8,63% 5,26% 27,79% ' kg /kg ges,54%,76%,45% 2,65% 4,66% 7,95% 3,24% 2,74% n /n L ol /ol L,87%,23% 2,36% 4,37% 7,85% 3,88% 24,53% 44,66% Der Sättigungsdapfdruk des assers berehnet sih nah de Ansatz aus [3] zu: 799,73 8,3246 ( 238,734 p, ϑ+ ) s [ bar] (3) Das Mol- und Voluenverhältnis berehnet sih aus: n M Luft (4) nluft M Auswashung von askoponenten In de bei der Absenkung des Taupunktes entstehen Kondensat können sih askoponenten lösen. Physikalishheish entspriht der Vorgang der Auswashung er Absorption der ase i Kondensat [4]. Die Absorption von asen wird it de Henry-esetz beshrieben, das e lineare Beziehung zwishen der Konzentration er askoponente über de Absorbens und der sih ergeben leihgewihtskonzentration annit. gel as λ ϑ ( ) pas. (5) Der Henry-Absorptionskoeffizient λ ist von der Teperatur ϑ abhängig. Ein Eponentialansatz für λ lautet: B A+ ( ) ( ) ϑ + 273,5 ol λ ϑ e (6) kg bar Häufig findet an niht die Koeffizienten A und B tabelliert, sondern en Bezugswert für λ 25 C bei 25 C und en Koeffizenten C d(ln(λ))/d(/t), der den Verlauf des Henry-Koeffizienten it der Teperatur beshreibt [5]. Die Urehnung von λ 25 C und C in die Koeffizienten der Eponentialfor lautet: B C (7) C A ln( λ 25 C ) (8) 298,5 K Für die Berehnungen i Zusaenhang it askonzentrationsessungen ist die Verwung er odifizierten For des Henry-esetzes sinnvoll [6]. as gelöst ( ) ' as Λ ϑ (9) wobei die askonzentration als Molverhältnis gesetzt wird (nah de idealen asgesetz entspriht das Molverhältnis de Voluenverhältnis und dait de üblihen Konzentrationsaß pp v geteilt durh 6 ). Die Urehnung der beiden Henry- Koeffizienten lautet: Λ λ () p ges Kondensation und Auswashung Das Verhältnis der beiden Vorgänge der Kondensation und der Auswashung führt zu Konzentrationsänderungen bei Einsatz von Messgaskühlern. In Bild 2 sind die Vorgänge für zwei vershieden starke Taupunktabsenkungen dargestellt. I linken Teil wird durh e geringe Taupunktsenkung nur wenig Kondensat gebildet und bei er höheren Teperatur auh wenig as i Kondensat gelöst. Rehts liegt die Teperatur tiefer, die Kondensatenge und die Menge an ausgewashene as steigt an. Der Anteil der trokenen Luft bleibt konstant, die Konzentrationsveränderungen beruhen auf der Verinderung der esatgasenge nah der Auskondensation. Die Konzentrationsänderung es löslihen ases nah Taupunktsenkung ist durh die Beziehung (ausführlihe Herleitung in [6]) gegeben: aus [( p p ) M Λ + p p ] sk ( pges psk ) Bild 2: Shea der Kondensation und Absorption bei Taupunktabsenkung K ges trokene Luft Feuhte löslihes as () it ϑ Tau als de Taupunkt des Messgases und ϑ K als der Teperatur des Kühlers und der reduzierten Taupunktteperatur. Für en bestiten ert von Λ stien die Eingangs- und die Ausgangskonzentration über, da sih die Effekte des Auskondensierens und des Auswashens gerade kopensieren. Der ert von Λ berehnet sih zu: Λ( ϑ K ) (2) M asser I Bild 3 ist der Löslihkeitskoeffizient Λ für vershiedene ase aufgetragen. Die waagerehte Linie stellt den Kehrwert der Molasse von asser dar. ase it Löslihkeiten, die diese Linie shneiden, weisen a Shnittpunkt en Teperaturwert auf, der für beliebige Eingangstaupunkte e unveränderte Konzentration a Ausgang des Messgaskühlers ergibt. Auswashung von Aoniak Die Löslihkeitskurve von Aoniak shneidet den Kehrwert der asserolasse bei 26,34 C. In Bild 4 sind (nah rehts aufgetragen) für vier vershiedene Eingangstaupunkte die Konzentrationsveränderungen it Änderung der Messgaskühlerteperatur dargestellt. Oberhalb der Neutralteperatur treten Erhöhungen der Konzentration auf, unterhalb dagegen e Absenkung der Konzentrationen. Nah links ist der Anteil des it de Kondensat ausgewashenen Aoniaks aufgetragen. Bei hohe Eingangstaupunkt und niedriger Kühlerteperatur werden große Anteile des Aoniaks (z.b. 55% bei 7 C Eingangstaupunkt und 5 C Kühlerteperatur) it de Kondensat ausgewashen. Bei unlöslihen asen tritt durh die Verringerung der esatgasenge bei der geringe Auswashung hoher Kühlertaupunkt Kondensat it gelöste as große Auswashung tiefer Kühlertaupunkt

3 74 Löslihkeit bei Noraldruk [ol/kg],, Aoniak Shwefelwasserstoff 2 Auskondensation von asser stets e Erhöhung der askonzentration auf, die u so größer ist, je ehr asser durh Taupunktsabsenkung kondensiert wird. In Bild 5 steht die obere Kurvenshar für die unlöslihen ase, zu Vergleih sind die Kurven für das löslihe Aoniak getragen. Auswashung von eruhsstoffen Der für die Zukunft zu erwarte Einsatz von ikrosensorisher eruhsesstehnik ( Elektronishe Nasen ) erfordert in der Regel die Konditionierung der Messgasströe. Die Sensoren können niht direkt it den Messgasen beaufshlagt werden, da der Feuhteanteil als Störkoponente wirksa ist. Sollen aber eruhsishungen von e eruhssensorsyste identifiziert werden, so uß der verändernde Einfluß der askonditionierung, wie etwa e Auswashung, bekannt s. Kehrwert der asserolasse Teperatur [ C] Bild 3: Henry-Löslihkeitskoeffizient Λ für vershiedene ase i Kondensat [% der esatenge] 2 C C 7 C C Diethylain Eingangstaupunkt Taupunkt nah Kühler [ C] Bild 4: Konzentrationsvershiebung und Auswashung bei Aoniak C 7 C Konzentration nah Taupunktsenkung [% der Eingangskonzentration] 7 C C C C C 2 Konzentration nah Taupunktsenkung [% der Eingangskonzentration] Aoniak unlöslihes as eruhsstoffe üssen e gewisse asserlöslihkeit aufweisen, da die Aufnahe in der Riehshleihaut die Voraussetzung zur Bindung an den Rezeptoren der Riehzellen ist. Diese asserlöslihkeit kann natürlih auh zur Auswashung führen, wenn der rad der Löslihkeit groß ist. In Tabelle 2 sind Stoffdaten für ige ausgesuhte eruhsstoffe aufgelistet, it der Berehnung der Koeffizienten der Henry-leihung, wie in leihung 6, 7 und 8 definiert. In der letzten Zeile sind die berehneten Neutralteperaturen, die Shnittpunkte der Löslihkeiten it de Kehrwert der asserolasse, angegeben. Mit den Löslihkeitsdaten der Tabelle 2 ergeben sih Konzentrationsveränderungen, wie in Bild 6 eeplarish für en Eingangstaupunkt von 5 C dargestellt. Insbesondere, aber auh n- Butanol wird zu sehr großen Anteilen ausgewashen. Bei drei der hier dargestellten eruhstoffe gibt es e Neutralteperatur, bei bereits vorgestellen Aoniak, bei und bei Diethylain. In Bild 2 waren bereits die Shnittpunkte it de Kehrwert der asserolasse bei ϑ 26,3 C (Aoniak), ϑ 36,3 C () und ϑ 33, C (Diethylain) ersihtlih. Die berehneten Konzentrationsänderungen führen zu Veränderungen der Zusaensetzung es eruhsstoffgeishes. Für die ausgewählten eruhsstoffe sind in Bild 7 die Veränderungen anhand es Radarplots für vershieden große Taupunktabsenkungen aufgetragen. Das ursprünglihe eruhstoffgeish weist jeweils % Ausgangskonzentration auf. Die Taupunktsabsenkung wirkt sih untershiedlih aus, die sehr löslihen ase zeigen stark verringerte Konzentrationen, die weniger löslihen bis weitgeh unlöslihen ase dagegen sogar Konzentrationszunahen. 7 C ϑ Neutral Taupunkt nah Kühler [ C] Bild 5: Vergleih der Konzentrationsveränderungen bei unlöslihen asen it Aoniak

4 Agrartehnishe Forshung 7 (2) Heft 3, S Tabelle 2: Koeffizienten der Henry-leihung (Daten aus [5]) Koeffizienten der Henry-leihung Diethylain H 2S B bzw. C * λ 25 C , A -4,96-9,28 -,3-28,76-9,68 ϑ Neutral - 36,2 26,3 33, - * k ert verfügbar, Annahe Auswashung i Kondensat [%] 2 Aoniak Dietylain H 2 S 2 Taupunkt nah Kühler [ C] Bild 6: Konzentrationsänderungen bei eruhsstoffen 2 Konzentrationsänderung [%] ' ges, ( + ) + (4) (5) führt zur Beziehung: + ' ' (6) + In Bild 8 ist leihung 6 für drei Endtaupunkte nah der Zuishung von trokkener Luft ausgewertet. Es ist ersihtlih, daß bei er Eingangsfeuhte it e Taupunkt von C und er angezielten Endfeuhte it e Taupunkt von 2 C die Konzentration auf nur noh % absinkt. Für online Messungen ist daher die Methode der asverdünnung probleatish, auh wenn bei der Verdünnung die Mishung der eruhsstoffe konstant bleibt. Taupunktsenkung durh Zuishung von trokener Luft Bei der Probenahe von geruhsbelasteten Luftströen wird anstelle er Auskondensation des asseranteils trokene Luft zugeisht, u das Proble der Auswashung zu vereiden. Die Probenverdünnung ist bei Proben für die olfaktoetrishe Messung unprobleatish, da ohnehin i Olfaktoeter bis auf die eruhsshwelle verdünnt werden uß. Für die online Messung von eruhsstoffen stellt dagegen die Verdünnung Proble dar, da die typisherweise niedrigen Konzentrationen weiter verdünnt werden. Zur Berehnung des Verdünnungseffektes kann der in leihung definierte assergehalt herangezogen werden. Die hohe Eingangsfeuhte untersheidet sih von der Endfeuhte nah Zuishung von trokener Luft durh den Anteil trokener Luft. Eine fahe Bilanzierung it den leihungen: ' ges, ( + ) + (3) Korrekturrehnung für asessungen Mit den vorgestellten Berehnungsethoden für Konzentrationsänderungen können die tatsählihen Eissionen von biologishen Eittenten erittelt werden. Ohne Berehnung der Konzentrationseffekte treten erheblihe Unter- aber auh Übershätzungen auf. In Bild 9 ist die Messkette für die Untersuhung es waren biologishen Eittenten it Zwangsbelüftung dargestellt. Der Fall entspriht beispielsweise der Beprobung es Biofilters oder er gehausten Kopostierung. Ziel ist die Erittlung des Eissionsassenstroes, der den Eittenten verläßt. De waren % % H S 2 % H S 2 % 2 C 5 C Diethylain Diethylain Bild 7: Veränderung des eruhsusters durh Absenkung des Taupunktes von 5 C auf 2 C bzw. 5 C

5 76 und feuhten Messgas wird it e Kühler Feuhte entzogen. Der asanalysator isst nah de Kühler e durh die Kondensation und Auswashung veränderte Konzentration aus. Die Rükrehnung auf die tatsählihe Konzentration vor de Kühler lautet: Konzentration nah Mishung [%] [( p p ) M Λ + p p ] 2 sk ( pges psk ) aus K ges Bei Kenntnis des Voluenstros V Luft, der den Eittenten verlässt, ist der Eissionsassenstro gegeben durh: V& Luft M as Tnor & (8) volar Tess Die Teperaturkorrektur T nor /T ess ist zur Urehnung des bei T ess geessenen Voluenstros V & Luft auf Norbedingungen erforderlih. Zusaenfassung Taupunkt vor Mishung [ C] (7) Endtaupunkt 2 C 3 C C Bild 8: Konzentrationsverdünnung bei Taupunksenkung durh Zuishung von trokene as V ϑ Tau ϑ K biologisher Eittent aus asanalysator Bild 9: 9: Messkette zur Messung biologisher Eissionen Bei askonzentrationsessungen nah Messgaskühlern üssen Veränderungen der askonzentrationen durh Kondensation und Auswashung in den Rükrehnungen auf die tatsählihen erte berüksihtigt werden. Ohne Kopensation der Konzentrationsvershiebungen treten sowohl bei wasserlöslihen, als auh bei unlöslihen asen erheblihe Fehler auf. Bei eruhsstoffen tritt zusätzliher Effekt auf. Durh die untershiedlihen Löslihkeiten verändert sih die Mishungszusaensetzung und dait der eruhsdruk. Für olfaktoetrishe Beprobungen ist deshalb der Einsatz von Messgaskühlern probleatish. Ugekehrt sinkt bei der Verdünnung von Probegasen die Konzentration drastish ab, was e esstehnishe Erfassung ershwert. I Beitrag werden die erforderlihen Berehnungsbeziehungen angegeben und anhand es Beispiels die Rükrehnung und die Erittlung des Eissionsassenstros durhgeführt. Verwete Forelzeihen p ges [bar] esatdruk p s (ϑ) [bar] Sättigungsdruk von asser bei Teperatur ϑ p sk [bar] Sättigungsdruk von asser bei Teperatur ϑ Κ p (ϑ) [bar] Sättigungsdruk von asser bei Teperatur ϑ Tau p d [bar] Partialdruk von asser p as [bar] Partialdruk des ases rf % Relative Feuhte n i [ol] Molzahl er Koponente i [kg/kg Luft] Feuhtebeladung bezogen auf Anteil trokener Luft [kg/kg ges] Feuhtebeladung bezogen auf gesate Luft M [kg/kol] Molgewiht von asser (8,6) M Luft [kg/kol] Molgewiht von Luft (Mittelwert: 28,96) M as [kg/kol] Molgewiht des ases gel.as [ol/kg] leihgewihtskonzentration in asser [ 3 as/ 3 Luft] Konzentration des Messgases aus [ 3 as/ 3 Luft] Konzentration nah de Kühler [kg as/kg Luft] assebezogene Konzentration I [kg] Massenanteil von I: as, asser bzw. trokener Luft λ(ϑ) [ol/kg bar] Absorptionskoeffizient Λ(ϑ) [ol/kg] Absorptionskoeffizient Λ Κ [ol/kg] Absorptionskoeffizient bei Teperatur ϑ Κ ϑ K [ C] Teperatur des Kühlers ϑ Tau [ C] Taupunkt des Messgases ϑ Neutral [ C] Neutralteperatur (ke Konzentrationsänderung) T nor [K] Norteperatur (273,5 K) T ess [K] Teperatur bei Messbedingungen [ 3 /s] Voluenstro des Eittenten bei T ess V & (T ess ) v olar [ 3 /ol] Molvoluen bei T nor (22,4-3 3 /ol) & [kg/s] Eissionsassenstro Literatur [] M&C Produts Analysentehnik, Ratingen, Datenblätter Messgaskühler [2] Baehr, H.D.: Therodynaik, 5. Aufl., Berlin: Springer, 98 [3] VDI-äreatlas, 7.Aufl., Düsseldorf: VDI-Verlag, 994 [4] Jakubith, M.: Cheishe Verfahrenstehnik, hei: iley-vch, 99 [5] Datenbank des National Institute of Standards and Tehnology, NIST: [6] Boeker, P. et al. (999): Messung biogener ase: Konzentrationsvershiebungen durh Auskondensation von asfeuhte, Agrartehnishe Forshung 5 (999) Heft, S. -8 Autor Dr. rer. nat. Peter Boeker Rhishe Friedrih-ilhel-Universität Bonn Institut für Landtehnik Nußallee Bonn Tel.: +49/()228/ Fa: +49/()228/ E-ail: boeker@uni-bonn.de