Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul TSO3 berechnet den Säuretaupunkt eines Abgases, das SO3- und H2O-Anteile enthält. Schwefeltrioxid verbindet sich mit Wasserdampf zu Schwefelsäure, die bereits weit oberhalb des Wassertaupunkts – typischerweise bei 110 bis 160 °C – als hochkonzentrierte H2SO4 auskondensiert. Grundlage der Berechnung ist die in R. Pierce, "Chemical Engineering" (April 1977) veröffentlichte Korrelation, die den Taupunkt aus den Partialdrücken von Wasserdampf und SO3 bestimmt.
Den Säuretaupunkt berechnen zu können ist überall dort entscheidend, wo schwefelhaltige Brennstoffe verfeuert oder SO3-haltige Prozessgase geführt werden: bei der Auslegung von Economisern, Luftvorwärmern, Abgaswärmeübertragern, Kaminen und Rauchgaskanälen. Unterschreitet die Wandtemperatur den Säuretaupunkt, kommt es zu Tieftemperaturkorrosion an Stahl und zu Versottung – einer der häufigsten Schadensmechanismen auf der kalten Seite von Kesselanlagen.
Aus Barometerdruck, SO3-Gehalt und H2O-Gehalt des Abgases ermittelt das Modul die Partialdrücke beider Komponenten und daraus die Säuretaupunktstemperatur – die untere Grenze für zulässige Wand- und Abgastemperaturen bei der Wärmerückgewinnung.
Regelwerk und Berechnungsbasis: R. Pierce: "Chemical Engineering", April 2 / 1977
So läuft die Berechnung ab
- Gaszusammensetzung erfassen: Eingegeben werden der Barometerdruck sowie der SO3-Gehalt (als Volumenanteil bzw. ppm) und der H2O-Gehalt des Abgases. Der SO3-Gehalt ergibt sich aus dem Schwefelgehalt des Brennstoffs und der Konversionsrate SO2 zu SO3, die je nach Feuerung und Katalysatorwirkung typischerweise wenige Prozent beträgt.
- Partialdrücke bilden: Aus den Volumenanteilen und dem Gesamtdruck werden der H2O-Dampfdruck und der SO3-Dampfdruck im Abgas berechnet – die beiden Eingangsgrößen der Taupunktkorrelation.
- Säuretaupunkt berechnen: Mit der Korrelation nach Pierce (korrigierte Form der Beziehung von Verhoff und Banchero) wird aus den beiden Partialdrücken die Säuretaupunktstemperatur bestimmt. Die Abhängigkeit ist logarithmisch: Schon wenige ppm SO3 heben den Taupunkt gegenüber dem reinen Wassertaupunkt um mehr als 100 K an.
- Ergebnis bewerten: Die berechnete Säuretaupunktstemperatur wird mit den kältesten Wandtemperaturen im Abgasweg verglichen. Für einen sicheren Betrieb sollten Heizflächen- und Kaminwandtemperaturen mit Abstand oberhalb des Taupunkts liegen oder korrosionsbeständige Werkstoffe bzw. Beschichtungen vorgesehen werden.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| ⇒ Säuretaupunktstemperatur | tSTP | °C |
| Barometerdruck | pB | hPa |
| SO3-Dampfdruck | pSO3 | bar |
| H2O-Dampfdruck | pH2O | bar |
| SO3-Gehalt des Abgases | SO3 | mg/m³ |
| SO3-Gehalt des Abgases | SO3 | ppm |
| H2O-Gehalt des Abgases | H2O | Vol-% |
Gelöstes Beispiel
Für das Abgas einer ölgefeuerten Kesselanlage soll die Säuretaupunktstemperatur berechnet werden. Das Abgas enthält 10 Vol-% Wasserdampf und 10 ppm (Vol.) SO3, der Barometerdruck beträgt 1,013 bar (760 mmHg).
Gegebene Werte
| Barometerdruck p | 760 mmHg (1,013 bar) |
| H2O-Gehalt | 10 Vol-% |
| SO3-Gehalt | 10 ppm (Vol.) |
Lösungsweg
Partialdrücke der Komponenten
pH2O = 0,10 · 760 mmHg = 76 mmHg
pSO3 = 10 · 10−6 · 760 mmHg = 0,0076 mmHg
Taupunktkorrelation nach Pierce (Verhoff-Banchero, korrigiert)
1000/TS = 2,276 − 0,02943 · ln pH2O − 0,0858 · ln pSO3 + 0,0062 · ln pH2O · ln pSO3 (p in mmHg, T in K)
Mit ln 76 = 4,3307 und ln 0,0076 = −4,8796:
1000/TS = 2,276 − 0,1275 + 0,4187 − 0,1310 = 2,4362 1/K
Säuretaupunktstemperatur
TS = 1000 / 2,4362 = 410,5 K = 137,3 °C
Obwohl der reine Wassertaupunkt bei 10 Vol-% H2O nur bei rund 46 °C läge, heben bereits 10 ppm SO3 den Taupunkt auf etwa 137 °C an. Wandtemperaturen im Abgasweg sollten mit Sicherheitsabstand darüber liegen.
Ergebnis
| Säuretaupunktstemperatur TS | ≈ 137 °C |
Alle Werte sind beispielhaft. Maßgeblich sind das jeweils gültige Regelwerk und die projektspezifischen Randbedingungen.
Häufige Fragen
Warum liegt der Säuretaupunkt so weit über dem Wassertaupunkt?
Schwefelsäure und Wasser bilden ein stark nichtideales Gemisch mit ausgeprägtem Dampfdruckminimum. Bereits Spuren von SO3 (wenige ppm) reichen aus, damit hochkonzentrierte Schwefelsäure (70 bis 85 Ma-%) weit oberhalb von 100 °C kondensiert, während reiner Wasserdampf im Abgas erst bei 40 bis 60 °C auskondensieren würde. Deshalb ist nicht der Wasser-, sondern der Säuretaupunkt die maßgebende Grenze für die Abkühlung schwefelhaltiger Abgase.
Woher bekomme ich den SO3-Gehalt, wenn nur der SO2-Gehalt bekannt ist?
SO3 entsteht durch Oxidation eines kleinen Teils des SO2. Als Anhaltswert werden bei Öl- und Kohlefeuerungen Konversionsraten von etwa 1 bis 5 % des SO2 angesetzt; katalytisch wirkende Oberflächen (Vanadium in Ölaschen, SCR-Katalysatoren) können den Anteil erhöhen. Wegen der logarithmischen Abhängigkeit wirkt sich die Unsicherheit der Konversionsrate nur gedämpft auf den Taupunkt aus, sollte aber konservativ (hoch) angesetzt werden.
Für welchen Bereich gilt die Korrelation nach Pierce?
Die Korrelation wurde für typische Verbrennungsabgase bei Atmosphärendruck aufgestellt, also für H2O-Gehalte im Bereich weniger bis etwa 20 Vol-% und SO3-Gehalte von unter 1 bis einigen hundert ppm. Außerhalb dieses Bereichs – etwa bei stark druckaufgeladenen Prozessen oder extremen Säurekonzentrationen – ist sie nur als Abschätzung zu verstehen. Sie liefert den Taupunkt, nicht die Kondensationsrate oder die Säurekonzentration des anfallenden Kondensats.
Genügt es, die mittlere Abgastemperatur über dem Taupunkt zu halten?
Nein. Maßgebend ist die kälteste Wandtemperatur, nicht die Gastemperatur. An unisolierten Kanalwänden, Kaltluft-Eintrittsbereichen von Luftvorwärmern oder Falschlufteinbrüchen kann die Wandtemperatur lokal deutlich unter der Gastemperatur liegen, sodass dort trotz ausreichender Abgastemperatur Säure kondensiert.