Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul HCL berechnet die Stoffwerte und das Dampf-Flüssig-Gleichgewicht des Systems Chlorwasserstoff–Wasser. Wer Stoffwerte von Salzsäure berechnen muss – Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität, Oberflächenspannung oder die Partialdrücke von HCl und H2O über der Lösung – erhält sie in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Konzentration für die flüssige und die gasförmige Phase.
Salzsäure tritt im Anlagenbau vor allem in der Chlorchemie, bei der Abgaswäsche (HCl-Absorption), beim Beizen von Metallen und in der Regeneration von Ionenaustauschern auf. Für die Auslegung von Absorptionskolonnen, Grafitwärmeübertragern, Quench- und Kühlsystemen dieser Prozesse sind konsistente Stoffdaten über den Konzentrationsbereich unverzichtbar. Datenbasis sind Perry's Chemical Engineers' Handbook (5. und 6. Auflage), das Gmelin-Handbuch und Landolt-Börnstein.
Das Phasengleichgewicht ist beim System HCl–H2O besonders wichtig: Es bestimmt, wie viel HCl bei gegebener Temperatur und Konzentration absorbiert werden kann und wo das azeotrope Verhalten der Salzsäure die erreichbare Konzentration begrenzt.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Robert H. Perry, Cecil H. Chilton, "Perry's Chemical Engineers' Handbook" 5th Edition,Mc Graw Hill 1973; Robert H. Perry, Don Green, "Perry's Chemical Engineers' Handbook" 6th Edition / Mc Graw Hill 1984; Gmelin 18. Auflage; Landolt-Börnstein 6. Auflage Band II
So läuft die Berechnung ab
- Zusammensetzung und Zustand vorgeben: Eingegeben werden die HCl-Konzentration der Lösung (Massenanteil), die Temperatur und gegebenenfalls der Druck. Damit ist der Zustandspunkt des binären Systems HCl–H2O festgelegt.
- Phasengleichgewicht auswerten: Aus den hinterlegten Gleichgewichtsdaten werden die Partialdrücke von HCl und H<sub>2</sub>O über der Lösung sowie der Sättigungsdruck des Gemisches bestimmt. Der HCl-Partialdruck steigt mit Konzentration und Temperatur stark an und entscheidet über Absorptions- bzw. Desorptionsrichtung.
- Stoffwerte der flüssigen Phase berechnen: Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, dynamische und kinematische Viskosität sowie Oberflächenspannung der Salzsäure werden als Funktion von Temperatur und Konzentration aus den Literaturdaten interpoliert.
- Stoffwerte der Gasphase bestimmen: Für die gasförmige Phase (HCl-Wasserdampf-Gemisch) werden die entsprechenden Größen bereitgestellt, wie sie für Kondensations-, Absorptions- und Wärmeübergangsrechnungen benötigt werden.
- Kennzahlen ableiten und in die Auslegung übernehmen: Prandtl-Zahl, Temperaturleitfähigkeit und thermischer Ausdehnungskoeffizient werden gebildet. Zusammen mit den Gleichgewichtsdaten fließen die Ergebnisse in die Auslegung von HCl-Absorbern, Säurekühlern und Quenchsystemen ein.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Temperatur | ϑ1 ϑ2 | °C |
| Temperatur | ϑ1 ϑ2 | °C |
| Konzentration | c1 c2 | Ma-% |
| Konzentration | c1 c2 | Ma-% |
| Konzentration 1 | c1 c2 | g/l |
| Konzentration 2 | c1 c2 | g/l |
| Konzentration 1 | c1 c2 | mol/l |
| Konzentration 2 | c1 c2 | mol/l |
| Dichte | ρ1 ρ2 | kg/m³ |
| Dichte | ρ1 ρ2 | kg/m³ |
| Spezifische Wärmekapazität | cp1 cp2 | J/(kg·K) |
| Spezifische Wärmekapazität | cp1 cp2 | J/(kg·K) |
| Dynamische Viskosität | η1 η2 | mPa·s |
| Dynamische Viskosität | η1 η2 | mPa·s |
| Oberflächenspannung | σ1 σ2 | mN/m |
| Oberflächenspannung | σ1 σ2 | mN/m |
| Partialdruck H2O | pH2O pH2O | Pa |
| Partialdruck H2O | pH2O pH2O | Pa |
| Partialdruck HCl | pHCl pHCl | Pa |
| Partialdruck HCl | pHCl pHCl | Pa |
| Sättigungsdruck | pS,1 pS,2 | Pa |
| Sättigungsdruck | pS,1 pS,2 | Pa |
| flüssig | - xHCl xHCl | mol-% |
| flüssig | - xHCl xHCl | mol-% |
Häufige Fragen
Warum kann Salzsäure durch Destillation nicht über etwa 20 % aufkonzentriert werden?
Das System HCl–H2O bildet bei Umgebungsdruck ein Azeotrop bei rund 20 Massen-% HCl (Siedetemperatur etwa 109 °C). Am azeotropen Punkt haben Dampf und Flüssigkeit dieselbe Zusammensetzung, sodass eine einfache Destillation dort endet. Höhere Konzentrationen erfordern andere Verfahren, etwa Druckwechseldestillation (das Azeotrop verschiebt sich mit dem Druck) oder Extraktivverfahren. Für Absorptionskolonnen bedeutet das Gleichgewicht umgekehrt, dass sich HCl-Gas bei moderaten Temperaturen sehr effektiv bis in diesen Bereich absorbieren lässt.
Warum ist die Absorptionswärme von HCl bei der Apparateauslegung so wichtig?
Die Lösung von HCl-Gas in Wasser ist stark exotherm (Lösungsenthalpie in der Größenordnung von 70 kJ/mol bei hoher Verdünnung). Ohne ausreichende Kühlung erwärmt sich die Waschflüssigkeit, der HCl-Partialdruck über der Lösung steigt und die Absorptionsleistung bricht ein. HCl-Absorber werden deshalb häufig als gekühlte Fallfilmabsorber (oft aus Grafit) ausgeführt; die Stoffwerte des Moduls liefern die Grundlage für die dabei nötige gekoppelte Wärme- und Stoffübergangsrechnung.
Welche Werkstofffragen stellen sich bei Salzsäure führenden Apparaten?
Salzsäure ist gegenüber un- und niedriglegierten Stählen sowie den meisten nichtrostenden Stählen stark korrosiv; schon Spuren verursachen Loch- und Spaltkorrosion an Austeniten. Üblich sind gummierte oder kunststoffbeschichtete Stähle, Grafit (für Wärmeübertrager), PTFE-ausgekleidete Komponenten sowie hochkorrosionsbeständige Nickellegierungen oder Tantal für kritische Bereiche. Die Stoffwertberechnung ersetzt die Werkstoffauswahl nicht – sie liefert aber die Temperatur- und Konzentrationsprofile, die für die Korrosionsbewertung benötigt werden.
In welchem Bereich sind die hinterlegten Daten gültig?
Die Daten basieren auf den klassischen Tabellenwerken (Perry, Gmelin, Landolt-Börnstein) für wässrige Salzsäure im technisch üblichen Konzentrationsbereich bis etwa zur handelsüblichen konzentrierten Säure (ca. 37 bis 38 %) und für moderate Drücke. Außerhalb dieses Bereichs – etwa für überazeotrope Systeme unter Druck oder reines HCl-Gas bei hohen Drücken – sollten die Ergebnisse nicht extrapoliert, sondern spezielle Datenquellen verwendet werden.