Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul H2SO berechnet das Phasengleichgewicht und die Stoffwerte des Systems Schwefelsäure–Wasser. Wer Stoffwerte von Schwefelsäure berechnen muss – Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität, Oberflächenspannung oder die Partialdrücke über der Lösung – erhält sie in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Konzentration für die flüssige und die dampfförmige Phase.
Schwefelsäure gehört zu den wichtigsten Grundchemikalien; ihre wässrigen Lösungen begegnen dem Apparatebauer in Kontaktanlagen, Trocknungs- und Absorptionskolonnen, Abgaswäschern und bei der Taupunktbetrachtung schwefelhaltiger Rauchgase. Für die thermische Auslegung von Kühlern, Verdampfern und Kondensatoren dieser Prozesse werden konsistente Stoffdaten über den gesamten Konzentrationsbereich benötigt. Datenbasis sind Perry's Chemical Engineers' Handbook (5. und 6. Auflage), das Gmelin-Handbuch sowie Landolt-Börnstein.
Besonderes Gewicht liegt auf dem Dampf-Flüssig-Gleichgewicht: Das Modul liefert die Partialdrücke von H2O und H2SO4 über der Lösung sowie den Sättigungsdruck des Gemisches – die Grundlage für Eindampf- und Absorptionsrechnungen und für die Bewertung von Säuretaupunkten.
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 Konzentration der Schwefelsäure (Massenanteil H2SO4 im Wasser), die Temperatur und gegebenenfalls der Druck. Damit ist der Zustandspunkt des binären Systems festgelegt.
- Phasengleichgewicht auswerten: Aus den hinterlegten Gleichgewichtsdaten werden die Partialdrücke von H<sub>2</sub>O und H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> über der Lösung sowie der Sättigungsdruck (Gesamtdampfdruck) bestimmt. Wegen der starken negativen Abweichung vom Raoult'schen Gesetz liegt der Wasserdampf-Partialdruck weit unter dem des reinen Wassers – die Grundlage der Trocknungswirkung konzentrierter Schwefelsäure.
- Stoffwerte der flüssigen Phase berechnen: Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, dynamische und kinematische Viskosität sowie Oberflächenspannung der Lösung werden als Funktion von Temperatur und Konzentration aus den Literaturdaten interpoliert.
- Stoffwerte der Gasphase bestimmen: Für die dampfförmige Phase werden die entsprechenden Größen (Dichte, Wärmekapazität, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit) bereitgestellt, wie sie für Kondensations- und Absorptionsrechnungen benötigt werden.
- Kennzahlen ableiten und Ergebnisse nutzen: Prandtl-Zahl, Temperaturleitfähigkeit und thermischer Ausdehnungskoeffizient werden gebildet. Zusammen mit den Gleichgewichtsdaten fließen die Werte in die Auslegung von Säurekühlern, Eindampfern, Absorbern und in Taupunktbetrachtungen 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 H2SO4 | pH2SO4 pH2SO4 | Pa |
| Partialdruck H2SO4 | pH2SO4 pH2SO4 | Pa |
| Sättigungsdruck | pS,1 pS,2 | Pa |
| Sättigungsdruck | pS,1 pS,2 | Pa |
| flüssig | - xH2SO4 xH2SO4 | mol-% |
| flüssig | - xH2SO4 xH2SO4 | mol-% |
Häufige Fragen
Warum ist der Wasserdampf-Partialdruck über Schwefelsäure so niedrig?
Schwefelsäure und Wasser bilden ein stark real verhaltendes System mit ausgeprägter negativer Abweichung vom Raoult'schen Gesetz: Die Hydratisierung der H2SO4-Moleküle bindet das Wasser in der Lösung. Über 96%iger Säure liegt der Wasserdampf-Partialdruck bei Raumtemperatur um Größenordnungen unter dem Sättigungsdruck reinen Wassers. Genau darauf beruht der Einsatz konzentrierter Schwefelsäure als Trocknungsmittel für Gase – und ebenso die starke Verdünnungswärme, die beim Mischen frei wird.
Was ist der Schwefelsäuretaupunkt und warum ist er für Apparate kritisch?
In schwefelhaltigen Rauch- und Prozessgasen bildet SO3 mit Wasserdampf H2SO4-Dampf, der bereits bei Temperaturen von typischerweise 120 bis 160 °C – weit über dem Wassertaupunkt – als hochkonzentrierte Säure kondensiert. Wandtemperaturen unterhalb dieses Säuretaupunkts führen zu massiver Tieftemperaturkorrosion an Economisern, Luftvorwärmern und Kaminen. Die Partialdruckdaten des Moduls erlauben es, die Kondensationsbedingungen zu bewerten und Mindestwandtemperaturen festzulegen.
Wie stark ändern sich die Stoffwerte mit der Konzentration?
Erheblich und teilweise nicht monoton: Die Dichte steigt von rund 1000 kg/m³ (reines Wasser) auf über 1800 kg/m³ bei 96 bis 98 % H2SO4. Die Viskosität durchläuft mit der Konzentration ein Maximum, die spezifische Wärmekapazität fällt mit steigendem Säureanteil deutlich ab, und auch die Wärmeleitfähigkeit sinkt. Für Wärmeübertrager bedeutet das: Eine Auslegung mit Stoffwerten der falschen Konzentration oder Temperatur kann den Wärmeübergangskoeffizienten deutlich verfehlen; die Werte müssen für den tatsächlichen Betriebspunkt bestimmt werden.
Deckt das Modul auch Oleum (rauchende Schwefelsäure) ab?
Der Kernbereich des Moduls ist das binäre System H2SO4–H2O, also Konzentrationen bis 100 % Säure. Oleum – Lösungen von überschüssigem SO3 in Schwefelsäure – ist ein eigenes Stoffsystem mit anderem Gleichgewichtsverhalten. Für Auslegungen im Oleumbereich sind die Herstellerdaten bzw. spezielle Literatur heranzuziehen; die Extrapolation der wässrigen Daten über 100 % hinaus ist unzulässig.