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Absorption Technische Chemie II. 2 Gliederung 1Einleitung 2Absorptionsmechanismus 3Absorptionsapparate 4Absorbens 5Auslegung von Absorptionskolonnen 6Einsatzbereiche.

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1 Absorption Technische Chemie II

2 2 Gliederung 1Einleitung 2Absorptionsmechanismus 3Absorptionsapparate 4Absorbens 5Auslegung von Absorptionskolonnen 6Einsatzbereiche der Absorption

3 3 Gliederung 1Einleitung 2Absorptionsmechanismus 3Absorptionsapparate 4Absorbens 5Auslegung von Absorptionskolonnen 6Einsatzbereiche der Absorption

4 4 Definition Absorption ist die Aufnahme und die Auflösung von Gasen und Dämpfen in einer Flüssigkeit (Solventabsorption) oder einem Feststoff (Feststoffabsorption). Absorptiv:Die zwischen Abgeber- und Aufnehmerphase ausgetauschte Komponente, die in nicht gebundenem Zustand ist. Absorpt:Die zwischen Abgeber- und Aufnehmerphase ausgetauschte Komponente, die im gebundenen Zustand ist. Absorbens:Die aufnehmende Flüssigkeit (Aufnehmerphase). Absorbat: Die beladene Flüssigkeit (die beladene Aufnehmerphase).

5 5 Prinzip einer Absorptionsanlage Schema einer Absorberanlage mit nachgeschalteter Absorbensregeneration (Desorption) Absorption (Beladung des Absorbens): intensiver Kontakt zwischen Gas und Absorbens, große Phasengrenzfläche, tiefe Temperatur und erhöhter Druck erforderlich. Desorption (Austreiben des Adsorptivs / Absorpts) durch Entspannen, Evakuieren, Auskochen, Strippen, Fällung oder biologischen Abbau.

6 6 Gliederung 1Einleitung 2Absorptionsmechanismus 3Absorptionsapparate 4Absorbens 5Auslegung von Absorptionskolonnen 6Einsatzbereiche der Absorption

7 7 Absorptionsmechanismus Physikalische Absorption:  Das Absorbens ist eine reine Flüssigkeit.  Absorbens und Gas bilden eine physikalische Lösung.  Maßgeblich sind vorwiegend die zwischenmolekularen Wechselwirkungen (van der Waalsche Kräfte) z.B. das Auflösen von O 2 in Wasser. Chemische Absorption:  Im Absorbens ist ein dritter Stoff gelöst (Reaktant)  Dieser geht mit dem zu absorbierenden Gas eine chemische Bindung ein, z.B. Auflösen von CO 2 in Natronlauge.

8 8 Physikalische Absorption Voraussetzung: das gelöste Gas und die aufnehmende Flüssigkeit bilden ein ideales Gemisch. Raoultsches Gesetz: (2-1) p i :Partialdruck der Komponente i (des Stoffes) in der Gasphase [bar] x i :Molenanteil (Molenbruch) der Komponente i (des Stoffes) in der Flüssigphase [kmol/kmol] p i * (T):Dampfdruck der Komponente i (des Stoffes) [bar] so ergibt sich für y i p :Gesamtdruck [bar] y i :Molenanteil (Molenbruch) der Komponente i in der Gasphase [kmol/kmol] (2-2) (2-3) Ersetzt man den Partialdruck p i der Komponente i durch den Molenteil in der Gasphase y i und den Gesamtdruck p

9 9 Physikalische Absorption Konstante Temperatur T und konstanter Gesamtdruck  Gleichgewichtslinie ist eine Gerade. Abhängigkeit zwischen y i und x i, y i = y i (x i ) Für y i und x i gilt: :Konzentration in kmol der Komponente i in der Flüssig-/bzw. Gasphase [kmol/m³] :gesamte Konzentration der Komponenten in der Flüssig-/bzw. Gasphase [kmol/m³] (2-4) (2-5) x i und y i :Absorpt- bzw. Absorptiv-Stoffmengenanteil in [kmol/kmol] (  Molenanteil (Molenbruch) der ausgetauschten Komponente i in der Flüssig- / Gasphase)

10 10 Physikalische Absorption Ideales Lösungsverhalten: bei niedrigen Partialdrücken p i bei chemisch verwandten Stoffen Nicht ideales Lösungsverhalten (reales Gemisch): unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen gleichartigen und ungleichartigen Molekülen  Abweichung vom Idealverhalten wird durch das Hinzufügen eines Aktivitätskoeffizienten a i berücksichtigt. a i : Aktivitätskoeffizient [-] (2-6)  (2-7) Bei niedrigen Gaskonzentrationen in der Flüssigkeit lässt sich der Ausdruck zu einer Konstanten H i (Henrykonstante [bar]) zusammenfassen. (2-8) Henrysches Gesetz

11 11 Physikalische Absorption Zusammenhang von Partialdruck und Molenbruch in der Flüssigphase Das Raoultsche Gesetz und das Henrysche Gesetz stellen Grenzgesetze dar. Raoultsches Gesetz (ideale Lösungen): liefert die Asymptote an die reale Partialdruckkurve p i (x i ) für x i  1. Henrysches Gesetz (verdünnte reale Lösungen): beschreibt das Grenzverhalten p i (x i ) für x i  0.

12 12 Phasengleichgewicht - Graphische Darstellung Beladungsdiagramm Zusammensetzungsdiagramm Druckdiagramm

13 13 Die molaren Beladungen sind folgendermaßen definiert: Phasengleichgewicht X i : Molare Beladung des Absorbens mit dem Absorptiv [kmol/ kmol] Y i : Molare Beladung des Gases mit dem Absorptiv [kmol/ kmol] N i : Molare Stoffmenge der zu absorbierenden Komponente i (Absorptiv) [kmol] N 1 : Molare Stoffmenge des Absorbens [kmol] N g : Molare Stoffmenge des Inertgases (Trägergas) [kmol] bzw.(2-9) Für die Umrechnung der Molenanteile in die Beladungen gilt: bzw.(2-10)

14 14 Temperatur und Druckabhängigkeit Temperatur- und Druckabhängigkeit des Absorptionsgleichgewichts Physikalische Absorption Ideales Gemisch  Absorptionswärme gleich der Kondensationsenthalpie des absorbierten Gases (bei p=const.). Nicht ideales Gemisch  zusätzlich zur Kondensationsenthalpie ist die Mischungsenthalpie zu berücksichtigen. Chemische Absorption Absorptionsenthalpie entspricht der Reaktionsenthalpie. Sie kann ein Mehrfaches der Kondensationsenthalpie ausmachen. Löslichkeit eines Gases im Absorbens  nimmt mit steigendem Druck und sinkender Temperatur zu. Absorption  exothermer Vorgang  Absorptionswärme wird frei

15 15 Gliederung 1Einleitung 2Absorptionsmechanismus 3Absorptionsapparate 4Absorbens 5Auslegung von Absorptionskolonnen 6Einsatzbereiche der Absorption

16 16 Absorptionsapparate Gasgemisch und Absorbens (Flüssigkeit) werden in intensiven Kontakt gebracht. Der Kontakt kann technisch auf verschiedene Arten realisiert werden: Apparate mit zusammenhängender Gas- und Flüssigkeitsphase (z. B. Oberflächen-, Filmabsorber, Füllkörperkolonne) Apparate mit Dispergierung des Gasgemisches (z.B. Blasensäulen Bodenkolonnen, Strahldüsenwäscher, begaster Rührkessel) Apparate mit Dispergierung des Absorbens (z.B. Sprühkolonne, Venturiwäscher).

17 17 Absorptionsapparate Apparate mit zusammenhängender Gas- und Flüssigkeitsphase Füllkörperkolonnen (werden besonders häufig eingesetzt) kleiner Druckverlust (ca. 2 bis 5 mbar/m) variierbare Gasbelastung Realisierung auch höherer Stufenzahlen

18 18 Absorptionsapparate 1.Raschig – Ring aus Keramik 2.Raschig – Ring aus Metallblech 3.Füllring mit Steg aus Keramik 4.Füllring mit Kreuzsteg aus Keramik 5.Pall-Ring aus Keramik 6.Pall-Ring aus Kunststoff 7.Interpack aus Metallblech 8.Super-Sattel aus Metallblech 9.Berl-Sattel aus Keramik 10.Novalox-Sattel aus Keramik 11.Torus-Sattel aus Kunststoff 12.Kugeln aus Keramik und Sonder- masse Verschiedenartige Füllkörper

19 19 Absorptionsapparate Apparate mit Dispergierung des Gasgemisches Blasensäulen und begaste Rührkessel relativ großer Flüssigkeitsinhalt kleine Gasbelastung großer Druckverlust große Verweilzeiten der Flüssigphase (  für langsam ablaufende Absorptionsprozesse)

20 20 Absorptionsapparate Apparate mit Dispergierung des Absorbens (Flüssigkeitsphase) Sprühkolonnen (mit einer oder bestenfalls wenigen Trennstufen) für chemische Absorption (bei kleinen Phasenverweilzeiten) Druckverlust ca. 0,1 mbar/m Venturiwäscher (Flüssigkeitszerstäubung durch das Gas) großer Druckverlust besonders intensiver Phasenkontakt für Kurzzeitwäschen zur Absorption in Kombination auch zur Feinststaubabscheidung geeignet

21 21 Gliederung 1Einleitung 2Absorptionsmechanismus 3Absorptionsapparate 4Absorbens 4.1Anforderung bei der Wahl des Absorbens 4.2Regeneration des Absorbens (Desorption) 5Auslegung von Absorptionskolonnen 6Einsatzbereiche der Absorption

22 22 Anforderung bei der Wahl des Absorbens ausreichend hohe Löslichkeit für die absorbierende Gaskomponente (günstiges Absorptionsgleichgewichtsverhalten), hohe Selektivität für die absorbierende Gaskomponente einfache Regenerierbarkeit niedriger Dampfdruck bei Absorptionstemperatur zur Vermeidung von Absorbensverlusten durch Verdunsten und von Verunreinigungen des gewaschenen Gases durch Lösungsmitteldämpfe, nicht zu hoher Siedepunkt, um ggf. durch Absorbensverdampfung die gelöste Komponente wieder abtreiben zu können, niedriger Schmelzpunkt, um innerhalb des Absorbens eine große Temperaturdifferenz zwischen Kopf und Sumpf tolerieren zu können, große spezifische Wärme, um die auftretende Absorptionswärme durch Absorbenserwärmung aufnehmen zu können,

23 23 Anforderung bei der Wahl des Absorbens geringe Viskosität, chemische und thermische Stabilität zur Vermeidung von Korrosion und Absorbenszersetzung, gute Verfügbarkeit, niedriger Preis, das Absorbens soll möglichst nicht giftig bzw. umweltbelastend sein, einen hohen Flammpunkt besitzen und allein oder zusammen mit ausgewaschenen Gasbestandteilen nicht zum Schäumen neigen, geringe Absorbensreste dürfen den Wert der Absorptionsprodukte nicht beeinträchtigen. Besonders zu beachten:  Gasstrom nicht über zulässige Grenzwerte hinaus durch verdunstendes Absorbens beladen  keine belasteten Abwässer  keine nicht nutzbaren Rückstände

24 24 Anforderung bei der Wahl des Absorbens Stoff iTA Luft Klasse 1ToluolII 2ChlorbenzolII 3o-XylolII 4DimethylformamidII 5o-DichlorbenzolII 6N-Methylpyrrolidon 7EthenglykolIII 8MethyldiphenylmethanIII (Isomere) 9DimethyldiphenyloxidIII (Isomere) 10TriethenglykolII 11Tetraethenglykoldi- methylether (TEGDME)II 12Poliethenglykoldimethyl- ether (PEGDME)II Sättigungskonzentration verschiedener Absorbens in Luft in Abhängigkeit von der Temperatur

25 25 Gliederung 1Einleitung 2Absorptionsmechanismus 3Absorptionsapparate 4Absorbens 4.1Anforderung bei der Wahl des Absorbens 4.2Regeneration des Absorbens (Desorption) 5Auslegung von Absorptionskolonnen 6Einsatzbereiche der Absorption

26 26 Regeneration des Absorbens (Desorption) Gelöste Stoffe werden aus dem Absorbens entfernt:  die zuvor absorbierten Gase werden in reiner Form gewonnen,  das Absorbens kann nach der Entfernung der gelösten Stoffe wiederverwendet werden. Die Regenerierungsmöglichkeiten sind hierbei: Drucksenkung  Entspannen Temperaturerhöhung  Rektifikation Desorbieren  Strippen Chemische Regeneration  Fällen Biologische Regeneration Absorption  erhöhter Druck  tiefe Temperaturen Desorption  niedriger Druck  erhöhte Temperaturen

27 27 Regeneration des Absorbens (Desorption) Mehrstufige Entspannung der beladenen Waschflüssigkeit Regenerierung durch Rektifikation

28 28 Regeneration des Absorbens (Desorption) Strippen mit Wasserdampf Regenerierung durch chemische Fällung

29 29 Gliederung 1Einleitung 2Absorptionsmechanismus 3Absorptionsapparate 4Absorbens 5Auslegung von Absorptionskolonnen 5.1Auslegung von Bodenkolonnen 5.2Auslegung von Füllkörperkolonnen 6Einsatzbereiche der Absorption

30 30 Auslegung von Bodenkolonnen X ein = X  ; Y ein = Y  molare Beladung in der Flüssig- bzw. Gasphase bei Eintritt [kmol/kmol] X aus = X  ; Y aus = Y  molare Beladung in der Flüssig- bzw. Gasphase bei Austritt [kmol/kmol] Molstrom des Absorbens bzw. Rohgases [kmol/h] Aufgabe der Böden: aufsteigendes Gas und abfließende Flüssigkeit vermischen.

31 31 Auslegung von Bodenkolonnen Die Beladung des Gases nimmt von Y ein auf Y aus ab und die Beladung der Flüssigkeit von X ein auf X aus zu. Ist das Gleichgewicht durch das Henrysche Gesetz (Gleichung 2-8) ausgedrückt, so lautet die Gleichung der Gleichgewichtslinie : mit (5-1) (5-2) Daraus ergibt sich für Y i : (5-3)

32 32 Auslegung von Bodenkolonnen Für die Mengenbilanz um den Kopf der Kolonne gilt: : Molstrom des Absorbens bzw. Rohgases [kmol/h] X: Molare Beladung in der Flüssigphase [kmol/kmol] Y: Molare Beladung in der Gasphase [kmol/kmol] (5-5) (5-4) X ein, Y aus :Beladung der abzutrennenden Komponente im Rezirkulationsabsorbens und im Reingas (vorgegeben) = konst.  Bilanzlinie stellt eine Gerade im Beladungsdiagramm dar, deren Steigung tan  = / ist. Bilanzlinie im Beladungsdiagramm: Hieraus folgt die Gleichung der Bilanzlinie im Beladungsdiagramm:

33 33 Auslegung von Bodenkolonnen Ermittlung der theoretischen Trennstufenzahl im Beladungsdiagramm (analog McCabe-Thiele- Verfahren) Bilanz- und Gleichgewichts- linie  bekannt Y ein - bekannt; X ein - bekannt Y aus - vorgegeben

34 34 Gliederung 1Einleitung 2Absorptionsmechanismus 3Absorptionsapparate 4Absorbens 5Auslegung von Absorptionskolonnen 5.1Auslegung von Bodenkolonnen 5.2Auslegung von Füllkörperkolonnen 6Einsatzbereiche der Absorption

35 35 Auslegung von Füllkörperkolonnen Schema einer Füllkörperkolonne Molstrom des Absorbens bzw. Rohgases [kmol/h] X ein ; Y aus vorgegeben Y ein bekannt

36 36 Auslegung von Füllkörperkolonnen Für den Bau einer Füllkörperkolonne müssen folgende Kennwerte bekannt sein: die spezifische Oberfläche des Absorberfüllmaterials a e [m²/m³]  ergibt sich aus dem Produkt des Füllkörpervolumens und der spezifischen Oberfläche des Materials der Absorberquerschnitt A Q [m²] (des leeren Absorbers)  hängt im Wesentlichen vom zu reinigenden Gasvolumenstrom und der Gasgeschwindigkeit ab die Füllkörperschütthöhe h [m]  berechnet sich aus -den o. g. Größen, -der Stoffbilanz und -dem kinetischer Ansatz der Stoffübertragung von der Gas- in die Flüssigphase (Stoffaustauschkinetik).

37 37 Auslegung von Füllkörperkolonnen - Zweifilmtheorie - Beladung an der Phasengrenze Gas-/Flüssigkeit - Stoffstromdichte [kmol/m²h]

38 38 Auslegung von Füllkörperkolonnen - Zweifilmtheorie - Stoffstromdichte der übergehenden Komponente [kmol/m²h] ist abhängig von Stoffdurchgangskoeffizienten k g [kmol/m²h] Beladungsdifferenz auf der Gasseite und in der Grenzschicht Bei niedrigen Beladungen: Beschreibung mit einem linearen Ansatz  konvektiver Einfluss des Stoffstroms auf den Stofftransport zur Phasengrenze vernachlässigbar Die Konzentrationsmaße in der Flüssig- bzw. Gasphase können durch die Konzentration c der Komponente i [kmol/m³] die Molenanteile x, y der Komponente i in der Flüssig- bzw. Gasphase [kmol/kmol] die molare Beladung X, Y in der Flüssig- bzw. Gasphase [kmol/kmol] beschrieben werden.

39 39 Auslegung von Füllkörperkolonnen - Zweifilmtheorie - Stoffübergangskoeffizient (  ) bzw. Stoffdurchgangskoeffizient (K c ) auf die Konzentration (c) bezogen: : Stoffübergangskoeffizient in der Flüssig- bzw. Gasphase [m/s] K c ‘, K c ‘‘: Stoffdurchgangskoeffizient bezogen auf die Flüssig- bzw. Gasphase [m/s] Stoffübergangskoeffizienten (, ) bzw. Stoffdurchgangskoeffizienten (k g, k l ) auf die molare Beladung bezogen: : Stoffübergangskoeffizient in der Flüssig- bzw. Gasphase [kmol/m²h] k l, k g : Stoffdurchgangskoeffizient in der Flüssig- bzw. Gasphase [kmol/m²h]

40 40 Auslegung von Füllkörperkolonnen - Zweifilmtheorie - Stoffübergang von Gas- in Flüssigkeitsphase über die Grenzschicht: Y Ph, X Ph : Beladung in der Grenzschicht der Gas- bzw. Flüssigphase [kmol/kmol] Gasphase:mit Flüssigkeitsphase: (5-6) (5-7)

41 41 Kontinuitäts- und Phasengleichgewichtsgleichungen: Kontinuität:(5-8) Phasengleichgewicht:(Henry´sches Gesetz)(5-9) Aus Gleichung 5-7 und 5-8 ergibt sich für (5-10) Für Y Ph erhält man (5-11) Auslegung von Füllkörperkolonnen - Zweifilmtheorie -

42 42 Einsetzen von Gleichung 5-11 in Gleichung 5-6 Auslegung von Füllkörperkolonnen - Zweifilmtheorie - kgkg k g - Stoffdurchgangskoeffizient in der Gasphase [kmol/m²h]

43 43 Kinetischer Ansatz für den Stofftransport in der Gasphase: Stoffdurchgangskoeffizient in der Gasphase: Analog erhält man die Gleichung für den Stoffdurchgangskoeffizient in der Flüssigphase Kleine Beladungen  thermodynamisches Gleichgewicht an der Phasengrenze: und Auslegung von Füllkörperkolonnen - Zweifilmtheorie - (5-12) (5-13)

44 44 Auslegung von Füllkörperkolonnen - Mengenbilanz - Differenzielles Volumenelement Mengenbilanz eines differenziellen Höhenelements des Absorbers in der Gasphase: : Molstrom der Gas- bzw. Flüssigphase [kmol/h] : Molstromdichte der Komponente i [kmol/m²s] : Differential der Oberfläche des Absorbermaterials [m²] : Molare Beladung des Gases mit der Komponente i beim Eintritt (z) und Austritt (z+dz) [kmol/kmol] (5-14) (5-15)

45 45 Mit der Entwicklung der Taylorreihe ergibt sich bei Vernachlässigung der höheren Ableitungen: und somit (5-16) (5-17) hierbei ist dA =a e A Q dz, [m²] mit a e = [m²/m³], A Q = [m²], dz = [m] (5-18) Auslegung von Füllkörperkolonnen - Mengenbilanz -

46 46 Nach Umformung von 5-17, Einsetzen von und Integration ergibt die Bestimmungsgleichung für die Höhe der Füllkörperkolonne h [m]: mit h= HTU * NTU(5-20) HTU:(height of transfer unit): Höhe einer Übergangseinheit NTU:(number of transfer units): Anzahl der Übergangseinheiten dY:unter Wirkung der Triebkraft (Y-Y Ph ) im Höhenelement dz erzielte Konzentrationsänderung in der Gasphase. Y - Y*:Beladungsänderung einer theoretischen Trennstufe Y - Y Ph :Beladungsänderung einer praktischen Trennstufe (5-19) Auslegung von Füllkörperkolonnen - Mengenbilanz - (statt Y Ph  Y*) Y* - theoretische Stufe; Y Ph - praktische Stufe

47 47 Graphische Ermittlung der NTU Auslegung von Füllkörperkolonnen - Mengenbilanz - GleichgewichtslinieBilanzlinie Y  X* (Y)Y  X X  Y* (X) Y Ph  X Ph

48 48 Gliederung 1Einleitung 2Absorptionsmechanismus 3Absorptionsapparate 4Absorbens 5Auslegung von Absorptionskolonnen 6Einsatzbereiche der Absorption

49 49 Wichtige Beispiele der Reinigung oder der Trennung von Gasgemischen sind: Produktgewinnung (Gewinnung von HCl, H 2 SO 4, HNO 3 ), Reinigung von Synthesegasen (Abtrennung H 2 S, CO 2 ), Rauchgasreinigung (Abtrennung von SO 2, HCl, NO x ), Abluftreinigung (Abtrennung von NH 3, Aminen, Lösungsmitteln), Trink- und Abwasserdesinfektion mit Chlor und Ozon. Einsatzbereiche der Absorption

50 50 Ausgewählte Beispiele zum Einsatz der Absorption zur Abtrennung von Wert- oder Schadstoffen aus Gasgemischen        

51 51 Ausgewählte Beispiele zum Einsatz der Absorption zur Abtrennung von Wert- oder Schadstoffen aus Gasgemischen        

52 52 Literatur Gliederung

53 53 Literatur  Baerns M., Hofmann H., Renken A. (Stuttgart 1999): Lehrbuch der Technischen Chemie – Chemische Reaktionstechnik, Band 1, 3. Auflage, Georg Thieme Verlag  Fitzer E., Fritz W., Emig G. (Heidelberg 1995): Technische Chemie, 4. Auflage, Springer Verlag  Gmehling J., Brehm in: Baerns M., Falbe J., Fettig F. (Weinheim 1996): Lehrbuch der Technischen Chemie – Grundoperationen, Band 2, Wiley- VCH  Gramlich K., Militzer K.-E., Weiß S. (Leipzig 1993): Thermische Verfahrenstechnik, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie  Grassmann P., Widmer F. (Berlin 1997): Einführung in die thermische Verfahrenstechnik, 3.Auflage, Walter De Gruyter

54 54 Literatur  Onken U. (München 1975): Thermische Verfahrenstechnik, Carl Hanser Verlag  Onken U., Behr A. (Stuttgart 1986): Lehrbuch der Technischen Chemie – Chemische Prozesskunde, Band 3, Georg Thieme Verlag  Sattler K. (Weinheim 2001): Thermische Trennverfahren – Grundlagen, Auslegung, Apparate, 3.Auflage, Wiley-VCH  Schlünder E.-U., Thurner F. (Stuttgart 1986): Destillation, Absorption, Extraktion, Georg Thieme Verlag  Schwister K. (München 2000): Taschenbuch der Verfahrenstechnik, Fachbuchverlag Leipzig

55 55 Literatur  Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry (Weinheim 2002), 6. Auflage, Wiley-VCH  Vauck W.R.A., Müller H.A. (Weinheim 1999): Grundoperationen chemischer Verfahrenstechnik, 11. Auflage, Wiley-VCH  Winnacker – Küchler (München 1998): Chemische Technologie, Band 7, 4. Auflage, Hanser Verlag


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