DE3841701A1 - Verfahren zur in situ-messung von schwefelsaeuretroepfchen in luftgetragenen zustand - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur in situ-Mes­ sung von Schwefelsäuretröpfchen in luftgetragenen Zustand.

Die bisher bekannten allgemeinen Meßverfahren sind nicht zur in situ-Messung von Schwefeltröpfchen in luftgetragenen Zustand geeignet. Ebenso das bekannte Infrarot-Absorptions-Meßver­ fahren zur Bestimmung von Strömungsparametern in einer in­ stationären H₂O Zweiphasennebelströmung bei simulierten Kühlmittelverlustunfällen (Neumann N., Desertation, Universität Karlsruhe 1980).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den luftgetragenen Schwefelsäuregehalt in Flüssigkeitsphase zu ermitteln.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches aufgeführten Merkmale gelöst. Durch die in situ-Meßmethode ist es möglich, die Bestimmung des Schwefelsäureflüssigkeitsgehaltes auf die Messung einfacher Grundgrößen wie Temperatur und Extinktion zurückzuführen.

In der nachfolgenden Beschreibung sind die einzelnen Ver­ fahrensschritte zur in situ-Messung von Schwefelsäuretröpfchen in luftgetragenen Zustand dargestellt und in den Fig. 1 bis 3 schematisch veranschaulicht.

Die luftgetragene H₂SO₄ Flüssigkeitskonzentration vor und nach dem Wäscher der REA (RCA-Verfahren) soll gemessen werden.

Neben Meßmethoden, die eine Probenahme erfordern, soll auch ein in situ-Meßverfahren entwickelt werden.

Folgende Randbedingungen sind gegeben: ln der Nähe des Wäschereingangs hat sämtliches SO₃b mit dem vorhandenen Wasserdampf zu H₂SO₄ reagiert. H₂SO₄ liegt in Form feiner Tröpfchen vor. Aufgrund der katalytisch wirkenden Gase und Feststoffpartikeln, welche als Kondensationskerne wirksam sind, kann vorausgesetzt werden, daß diese Umsetzung nahezu vollständig erfolgt ist. Die angegebenen Temperaturen liegen bei ca. 200°C nach dem E-Filter, bzw. bei ca. 130°C nach einem zwischen E-Filter und Wäschereingang gelegenen Wärmetauscher. Dies ist etwa auch die Eintrittstemperatur am Eingang des Wäschers. Am Wäscherausgang beträgt die Temperatur ca. 60°C. Das nachfolgend vorgeschlagene Meßprinzip geht von dieser von NOELL vorgegebenen Voraussetzung aus.

Schwefelsäure ist hydroskopisch. Die H₂SO₄ Tröpfchen nehmen in der Wasserdampfatmosphäre bei einem bestimmten Wasserdampf­ sättigungsverhältnis bzw. relativen Feuchte und einer gebenenen Temperatur eine definierte Gleichgewichtströpfchen­ größe ein, die von der im Tropfen enthaltenen H₂SO₄Menge bzw. Konzentration abhängt. Da die H₂SO₄Menge unverändert bleibt, ist es möglich, durch in situ-Messungen der Tropfengröße bei zwei Temperaturen die H₂SO₄Konzentration zu ermitteln. Das Grundprinzip des vorgeschlagenen Meßverfahrens ist nachfolgend am Beispiel von NaCl erläutert.

Entsprechend den hygroskopischen Eigenschaften von H₂SO₄ werden sich ähnlich wie bei dem Beispiel NaCl bei vorgegebenem Wasserdampfangebot bei unterschiedlichen Temperaturen T ₁ und T ₂ unterschiedliche Tropfengrößen d ₁ und d ₂ einstellen. Dieser Effekt soll für die H₂SO₄-Flüssigkeitsgehaltbestimmung genutzt werden. Die sich im Gleichgewicht einstellenden Tropfengrößen hängen von der Schwefelsäurekonzentration ab.

Fig. 1 bis 3 zeigen die einzelnen Verfahrensschritte. Die Darstellung ist ein rein qualitatives Beispiel und bezieht sich auf NaCl.

In Fig. 1 (Hinds, 1984) sind für verschiedene NaCl-Mengen die Sättigungsverhältnisse über der Tropfengröße aufgetragen.

In Fig. 2 sind die Sättigungsverhältnisse über der Temperatur für verschiedene Wasserdampfkonzentrationen qualitativ aufge­ tragen.

Schritt 1

Aus Extinktionsmessungen bei verschiedenen Wellenlängen und begleitenden MIE-Rechnungen wird nach der- Dispersionsquotientenmethode (DQM) der Tropfendurchmesser be­ stimmt (Neumann, 1980) . Der schematische Ablauf dieser Methode ist in Fig. 3 dargestellt. Aus den Messungen an unterschied­ lichen Orten bei den Temperaturen T ₁ und T ₂ ergeben sich hieraus die Durchmesser d ₁ und d ₂.

Im ersten Schritt wird bei einer angenommenen H₂SO₄ Konzentration im Tropfen und bei dem aus der DQM bekannten Tropfengröße d ₁ ein Sättigungsverhältnis S ₁ abgeleitet.

Schritt 2

In der Darstellung S=f (T) für Wasserdampf kommt man bei S ₁ und T ₁ auf eine bestimmte Wasserdampfkonzentrationskurve zu liegen. Diese wird verfolgt bis T ₂ und führt zu S ₂.

Schritt 3

Aus dem Verhältnis d ₁/d ₂ und der Anzahlkonzentration der Tropfen, die aus den Extinktionsmessungen ebenfalls bekannt ist, sowie unter der Annahme, daß kein Kondensat anderweitig verlorenging, welches gegebenenfalls gemessen werden mußte, läßt sich die an den H₂SO₄ Tröpfchen angelagerte Wassermenge bestimmen. Diese und die eventuell vorhandene Kondensatmenge führen zu einer Erniedrigung des Sättigungsverhältnisses von S ₂ auf S ₃ (siehe Fig. 2) .

Schritt 4

Mit S ₃ ergibt sich aus der ursprünglich angenommenen H₂SO₄- Konzentration im Tropfen ein korrespondierender Tropfendurchmesser d _2,theor . Dieser Durchmesser d _2,theor muß mit dem Durchmesser d ₂, der aus der DQM ermittelt wurde, übereinstimmen. Falls d _2,theor , ungleich d ₂ ist, erfolgt ein nächster Iterationsschritt, indem in Schritt 1 eine andere H₂SO₄ Konzentration angenommen wird. Diese Prozedur wird solange fortgeführt, bis d_2,theor und d ₂ innerhalb einer vorgegebenen Grenze übereinstimmen.

In der Praxis soll diese Ermittlung numerisch durchgeführt werden und in den Meßakt integriert werden. Deshalb ist es notwendig, ein iteratives Verfahren zu verwenden, welches schnell konvergiert. Die Wahl des Verfahrens und die Genauigkeit hängen von der Form der Kurven in Fig. 1 ab. Die Beziehungen zwischen S und d (Fig. 1) und S und T (Fig. 2) können entweder analytisch oder in Form einer Datenbank dargestellt werden. Damit können die Werte von S bei gegebener Temperatur und Tropfengröße bestimmt werden. In der Ent­ wicklungsphase soll in einem ersten Schritt eine Fehleranalyse des Rechenverfahrens durchgeführt werden.

Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens ist, daß es sich um eine in situ-Methode handelt, welche die Bestimmung des Schwefelsäureflüssiggehaltes auf die Messung einfacher Grund­ größen wie Temperatur und Extinktion zurückführt. Der zunächst kompliziert erscheinende Verfahrensablauf wie in Fig. 1 darge­ stellt, kann vollständig von einem Rechner gesteuert werden. Die einzusetzenden Tabellen oder Funktionen sind genau berechenbar.

Claims (1)

1. Verfahren zur in situ-Messung von Schwefelsäuretröpfchen in luftgetragenen Zustand, gekennzeichnet durch folgende Ver­ fahrensschritte:

   • a) Ein Schwefelsäuretröpfchen mit der Tropfengröße d ₁ und d ₂ in situ wird bei Temperaturen t ₁ und t ₂ gemäß dem Diagramm Fig. 2 gemessen,
   • b) mit der gemessenen Tröpfchengröße d ₁ wird anhand eines Diagramms Fig. 1 (Sättigungsverhältnis, relative Feuchte über der Tropfengröße in Fig. 1) das Sättigungsverhält­ nis, relative Feuchte s ₁ gemäß Schritt 1 bestimmt,
   • c) mit der Größe S ₁ und der Temperatur T ₁ wird anhand des Diagramms gemäß Fig. 2 (Sättigungsverhältnis, relative Feuchte über der Temperatur gemäß Fig. 2) der Scharkurven­ punkt S ₁/T ₁ auf der Scharkurve (Wasserdampfkonzentration) C ₃ bestimmt,
   • d) auf der Scharkurve C ₃ wird bis zum Temperaturpunkt T ₂ ent­ langgefahren und der Kurvenpunkt S ₂/T ₂ bestimmt,
   • e) aus dem Verhältnis d ₁/d ₂ und der Tropfenanzahlkon­ zentration wird die an den Schwefelsäuretröpfchen ange­ lagerte Wasserstoffmenge bestimmt, die dann zu einer Erniederung des Sättigungsverhältnisses, relative Feuchte gemäß Diagramm Fig. 2, Verfahrensschritt 3, führt und mit dem daraus bestimmten Sättigungsverhältnis S ₃, relative Feuchte, wird anhand des Diagramms Fig. 1 und der Scharkurve (Sättigungsverhältnis/Tröpfchengröße) gemäß Ver­ fahrensschritt 4 ein zweiter Durchmesser d ₂ des Tröpfchens H₂SO₄ bestimmt,
   • f) dieser Meßzyklus wird iterativ solange wiederholt, bis d ₂ und d_2theor innerhalb vorgegebener Grenzen übereinstimmen.