Verdichtete Gase: Risiken bei der Komprimierung von CO<sub>2</sub>- und H<sub>2</sub>O-Gemischen
Im Bereich Engineering ist die Verdichtung von Gasgemischen ein gängiger, aber komplexer Prozess, der ein tiefgreifendes Verständnis der Eigenschaften und Verhaltensweisen der beteiligten Gase erfordert. Heute befassen wir uns mit den Besonderheiten der Verdichtung von Kohlendioxid (CO2) bei Mischung mit Wasser (H2O), ein Szenario, das besondere Herausforderungen und Risiken birgt.
Eigenschaften von CO2
CO2 ist ein geruchloses und unsichtbares Gas, das schwerer ist als unsere Umgebungsluft.
Bei Raumtemperatur (20 °C) und Druck (1 bar(a)) existiert es als Gas, aber in Kombination mit Wasser ändert sich sein Verhalten. Wenn die H2O-Konzentration größer ist als 2,33 Vol.-% ist, kondensiert das Wasser und bildet Flüssigkeitströpfchen.
Die Kondensation von gasförmigem H2O tritt auch auf, wenn beispielsweise ein heißes, gesättigtes Gasgemisch nach dem Verdichten mit einem Zwischenkühler oder Nachkühler abgekühlt wird.
Wenn flüssiges H2O vorhanden ist, bildet das Gemisch Kohlensäure (H2CO3), die ein Gleichgewicht zwischen CO2, flüssigem H2O und HCO3-Ionen darstellt. Dieses Gleichgewicht wird durch den Partialdruck von CO2 beeinflusst, der die CO2-Menge bestimmt, die als Gas verbleibt oder in HCO3-Ionen im Kondensat umgewandelt wird.
Je mehr HCO3-Ionen aufgelöst werden, desto saurer wird das Kondensat.
Die mit Säuren verbundenen Risiken
Die Hauptrisiken bei der Verdichtung einer CO2- und H2O-Mischung liegen in der Bildung von Säuren. Wenn CO2 in Kontakt mit Wasser kommt, bildet es Kohlensäure, die korrosive Auswirkungen auf die Materialien in der Verdichtungskammer oder an anderen Stellen haben kann, an denen Kondensation auftritt.
Aus diesem Grund ist die Verwendung von Edelstahl bei der Konstruktion von Kompressoren und zugehörigen Komponenten von entscheidender Bedeutung. Edelstahl ist beständig gegenüber den korrosiven Eigenschaften der Säuren, die bei der Verdichtung und Kühlung gebildet werden, und gewährleistet so die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Maschinen.
Edelstahl
Edelstahl ist für seine Korrosionsbeständigkeit bekannt, die hauptsächlich auf das Vorhandensein von Chrom zurückzuführen ist. Nichtrostende Stähle müssen per Definition mindestens 10,5 Gewichtsprozent Chrom aufweisen. Die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl kann durch Hinzufügen anderer Legierungselemente wie Nickel, Molybdän, Stickstoff und Titan weiter verbessert werden.
Ein gängiger Edelstahl, AISI 304L, enthält beispielsweise 18,111 % Chrom und 8,074 % Nickel und bietet gute Korrosionsbeständigkeit und mechanische Eigenschaften mit einer Fließfestigkeit von 351 N/mm² und einer Zugfestigkeit von 619 N/mm². Er ist auch für seinen geringen Kohlenstoffgehalt bekannt, der dazu beiträgt, interkristalline Korrosion nach dem Schweißen zu verhindern.
Diese Eigenschaften machen Edelstahl zu einem idealen Material für viele Anwendungen, einschließlich Anwendungen in der Medizin, der Lebensmittelverarbeitung und der Bauindustrie, bei denen Haltbarkeit und Hygiene entscheidend sind.
Die mit Flüssigkeiten verbundenen Risiken
Bei der Handhabung von Gasgemischen, die H2O als Teil des Gemisches enthalten, sollte außerdem das Risiko berücksichtigt werden, dass sich vor der Verdichtung Flüssigkeitströpfchen bilden. Diese Flüssigkeitströpfchen sind im Vergleich zu einem Gas wesentlich weniger komprimierbar. Wenn sie in eine Verdichtungskammer eines volumetrischen Kompressors gelangen würden, könnten die Kräfte, die zum Verdichten erforderlich wären, weit über das hinausgehen, wofür der Gaskompressor ausgelegt ist.
Dies kann zu Kurbelwellenausfällen, Kolbenstangenschäden oder anderen mechanischen Schäden führen.
Um die Risiken im Zusammenhang mit der Verdichtung von feuchtem CO2 – und insbesondere gesättigtem CO2 – zu verringern, muss
ein Einlassabscheider verwendet werden.
- Diese Vorrichtung verhindert das Eindringen von flüssigem Wasser in die Verdichtungskammer und schützt Zylinder, Ventile und Kolben vor Schäden.
- Sie sorgt zudem für den zuverlässigen Betrieb des Gaskompressors bei anspruchsvollen Anwendungen.
Die mit thermischen Schwankungen verbundenen Risiken
Ein weiterer zu berücksichtigende Aspekt ist die spezifische Wärme des Gasgemisches. Die spezifische Wärme gibt an, wie viel Energie benötigt wird, um die Temperatur des Gases zu ändern. Die Verdichtung der gleichen Menge an Umgebungsluft oder reinem CO2 führt zu einer anderen Temperatur des Gases bei demselben Auslassdruck.
Ein gründliches Verständnis dieser Eigenschaft ist für die Feinabstimmung des Verdichtungsprozesses und der damit verbundenen Kühlanforderungen unerlässlich, um Risiken im Zusammenhang mit Temperaturschwankungen zu vermeiden.
Ein richtig bemessener Zwischen- und Nachkühler sorgt dafür, dass der Kompressor so effizient wie möglich läuft und die Betriebskosten auf ein Minimum reduziert werden.
Zusammenfassung
Die Verdichtung von CO2- und H2O-Gemischen ist eine Aufgabe, bei der die Eigenschaften der beteiligten Gase berücksichtigt werden müssen.
Indem sie die richtigen Materialien, wie z. B. Edelstahl, verwenden und Sicherheitsmaßnahmen wie Einlassabscheider integrieren, können Ingenieure diese Risiken effektiv kontrollieren und einen sicheren und effizienten Betrieb sicherstellen.