Ein Ammoniak-Wasser Absorptionskreislauf für hohen Temperaturhub

In dieser Arbeit wird ein Ammoniak- Wasser Absorptionskreislauf vorgestellt, der sich gegenüber bisher diskutierten Prozessen dadurch unterscheidet, dass eine prinzipiell neue Komponente, nämlich eine Mischkolonne, in der das Konzept der inversen Rektifikation verwirklicht ist, eingeführt wird. In der Mischkolonne wird ein Teil der reichen Lösung aus dem Absorber abgezweigt und mit dem Dampf aus dem Verdampfer im Gegenstrom gemischt. Der Dampf wird dabei mit Wasser, die Lösung mit Ammoniak angereichert. Der Dampf verlässt die Mischkolonne nahezu im Gleichgewicht zur reichen Lösung aus dem Absorber. Aufgrund dieser Konzen­trations­änderung des Dampfes bei nahezu unveränderter Dampfmenge kann der Lösungs­umlauf bei konstanter Ausgasungsbreite, also konstantem Temperaturhub, gesenkt werden. Neben der reichen Lösung aus dem Lösungswärmetauscher steht mit dem in der Mischkolonne aufkonzentrierten Lösungsteilstrom ein zweiter Zulauf höherer Konzentration für die Rektifikation zur Verfügung. Dieser zweite Stoffstrom ersetzt einen Teil des im Kondensator bzw. Dephlegmator erzeugten Rücklaufs für die Trennkolonne. Dadurch nimmt der Wärmebedarf für die Rektifikation ab und zwar umso mehr je hoher die Konzentration des zweiten Zulaufs bei konstanter Zulauftemperatur und –menge gewählt wird. Dadurch die Mischkolonne wird somit nicht nur die im Lösungswärmetauscher auszutauschende Wärme, sondern auch der Wärmebedarf der Rektifikation und damit direkt die Antriebswärme des Ammoniak- Wasser Absorptionskreislaufs gesenkt. Neben dem Fall eines weiteren Zulaufs in der Trennkolonne wird auch der Wärmebedarf der reversiblen thermischen Stofftrennung mit unendlich vielen Zuläufen unterschiedlicher Konzentration diskutiert und mit dem einer ebenfalls reversiblen, aber diabaten Ausführung der Rektifikation mit nur einem Zulauf der gleichen mittleren Konzen­tration und Enthalpie verglichen. Die zusätzlichen Zuläufe, wie sie in einer Misch­kolonne erzeugt werden können, reduzieren den Wärmebedarf für die thermische Stofftrennung erheblich. Der Einsatz der inversen Rektifikation ermöglicht daher bei Arbeitsstoffpaaren mit binärer Dampfhase eine deutliche Verbesserung des einfachen Absorptionskreislaufs. Die inverse Rektifikation in ihrer einfachsten technischen Ausführung, nämlich einer adiabaten Mischkolonne mit jeweils einem Flüssigkeitszu- und –ablauf, wird dieser Arbeit ausführlich behandelt. Es werden einige Spezialfälle betrachtet, die graphisch im Enthalpie-Konzentrations- Diagramm von Ammoniak- Wasser gelöst werden können. Sie zeigen, welche Konzentrationsänderungen bei vorgegebenem Massenstromverhältnis zwischen Flüssigkeit und Dampf von der Mischkolonne zu erwarten sind, bzw. welche Massenstrom­verhältnisse vorliegen müssen, damit im Fall unendlicher Stufenzahl Gleichgewichts-zustände zwischen Flüssigkeit und Dampf am oberen oder unteren Ende einer adiabaten Misch­kolonne erreicht werden können.