ppm conversies

 

De concentratie eenheid ppm is een veel gebruikte maar ook gemakkelijk verkeerd gebruikte concentratie-eenheid. PPM staat voor parts per million (1 deeltje per miljoen deeltjes), ook gebruikt men wel ppb (parts per billion) en ppt (parts per trillion).

Stel nu dat ik ppm HCN in lucht wil converteren naar een andere eenheid bv gram HCN per m3 lucht (g/m3). Hoe kan ik dit aanpakken?

We berekenen eerst de molmassa van HCN m.b.v. een periodiek systeem, of we zoeken deze gewoon op.
Molmassa HCN = 1 + 12 + 14 = 27 g/mol

De molmassa van lucht is iets gecompliceerder maar we kunnen een goede benadering maken door de samenstelling van lucht te gebruiken.
Samenstelling lucht: 78 %v N2, 21 %v O2 en 1%v Ar
                                 (met %v bedoel ik hier volume %).
Molmassa lucht:  0.78 * 28 + 0.21 * 32 + 0.01 * 40 = 29 g/mol

De meeste gassen volgen bij normaal condities ( 0 C en 760 mmHg) de ideale gaswet oftewel: pV = nRT
p = Druk in atmosfeer (atm)
V = Volume in liters (l)
n = aantal mol (mol)
T = temperatuur in Kelvin (K) = C + 273.15
R = universele gasconstante = 0.082 (l.atm)/(mol.K)

Als de druk 1 atm is dan is dat globaal de luchtdruk op zee niveau nl. 760 mmHg.

We kunnen n u het volume van 1 mol HCN berekenen met de ideale gaswet:

pV = nRT --> V=nRT/p

p = 1, n = 1, T =273.15 --> V = 1 * 0.082 * 273.15 / 1 = 22.4 l
1 mol gas komt bij normaalcondities overeen met 22.4 l.

In 1 m3 zitten 1000 l, er zijn 1000/22.4 = 44.6 mol gas nodig om 1 m3 te vullen.
1 m3 HCN heeft dan een massa van: 44.6 * 27 = 1205 g.

De vraag is nu hoeveel g HCN er in 1 m3 gas zitten bij een concentratie van 1 ppm HCN:

1 ppm = 1 deel per 1000000 deeltjes
1 ppm HCN = 1205 (g/m3) / 1000000 = 0.0012 g/m3
M.a.w. voor HCN geldt: x ppm * 0.0012 = y g/m3

Dezelfde redenatie kan men hanteren voor niet-ideale gassen, alleen gebruikt men dan de niet-ideale gaswet, pV = ZnRT, en moet Z dus bekend zijn.

Bij gassen spreekt men vaak van ppmV (ppm op volume basis) waarbij de algemene regel is dat mol% * 10000 = ppmV. Bij vloeistoffen en vaste stoffen spreekt men vaan van ppmW (ppm op gewichtsbasis), waarbij bovenstaande ppmV regel niet meer opgaat. Men moet dan gaan corrigeren voor dichtheidsverschillen.

 
ppmV -> ppmW 
Gebruik PV = znRT ppmV = ml/m3
ppmV = (mg/m3) * (273.15 + C) / [R (in atm 0.08205) * M] --> ideaal gas benadering

kg/sH2O / MH2O * Mfeed / kg/sfeed * 10^6 = ppmV H2O

Standard condities : 0 C and 101325 Pa (=1 atm)

ppmW --> gemiddelde water concentration in ppmV maal MW water/ MW gas.

Converteer ml naar concentraties m.b.v. de gas wet.

 

 

ppmW = mg/kg
P = druk in Pa (N/m2)
V = volume (m3)
n = molen
R = 8.213 J/mol.K
T = temperatuur in Kelvin
z = compressibiliteit
M = mol massa (g/mol)
mol/m3 -> ppmV 
ppmV A1 = 
(mol/m3 A1) / (SUM(mol/m3 A1 + mol/m3 A2 + .... mol/m3 An)] * 1E6
Als de gasstroom wordt uitgedrukt in mol/m3 is de conversie naar ppmV makkelijk.

Gas stroom met componenten: A1....An

Berekeningen: 
Note -->  mol% * 10000 = ppmV 
Voorbeeld:
mw gas = 19.9 g/mol en mol% water = 0.0125

Per mol gas:
0.0125/100 * mwH2O = 0.0125/100*18.015= 2.25E-3 g H2O/mol gas
2.25E-3/19.9 = 1.13E-4 gH2O/ggas = 0.0113 wt% = 113 ppmW
Met ppmV = ppmW * mwgas/mwH2O = 113 * 19.9/18.015 = 125 ppmV

 

 
Het is belangrijk om zich te realiseren dat bovenstaande formule om ppmV om te zetten naar ppmW alleen maar geldig is voor gassen. Voor vloeistoffen gaat dit niet op en kan men beter een andere benadering toe passen.

ppmV ==> mol%:

ppmV = ml(component) / m3(mengsel)

teller:
ml * dichtheid (g/ml) --> gcomponent --> gcomponent / molmassacomponent --> molcomponent

noemer:
m3(mengsel) = 1000 l(mengsel) = 106 ml(mengsel) ---> 106 ml(mengsel) * dichtheid(mengsel) (g/ml) --> gmengsel --> gmengsel / molmassamengsel --> molmengsel 

==> molcomponent / molmengsel * 100 = mol%

Aangezien we ppmW kunnen uitdrukken in mg/kg hebben we alleen maar dichtheden nodig om deze conversieslag te maken, de teller vervolgens te vermenigvuldigen met 1000 en de noemer te delen door 1000.

Het probleem licht er nu meer in om de dichtheid van de component en het mengsel bij de gewenste temperatuur en druk te vinden. Daar zijn tegenwoordig echter zeer goede thermodynamische programma's voor beschikbaar.
 

 


17-03-2009