Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Adsorption Technische Chemie II. 2 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Adsorption Technische Chemie II. 2 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische."—  Präsentation transkript:

1 Adsorption Technische Chemie II

2 2 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische Adsorbentien 6Regenerierung, Reaktivierung und Entsorgung von Adsorbentien 7Auslegung von Adsorbern 8Großtechnische Anwendungsbeispiele

3 3 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische Adsorbentien 6Regenerierung, Reaktivierung und Entsorgung von Adsorbentien 7Auslegung von Adsorbern 8Großtechnische Anwendungsbeispiele

4 4 Einleitung - Definition Adsorption bezeichnet die Bindung von Molekülen aus einer fluiden Phase (Gas- oder Flüssigphase) an einer Phasengrenze. Der umgekehrte Vorgang die Abgabe der gebundenen Moleküle an die fluide Phase wird Desorption genannt. Adsorption rein physikalische Adsorption (Physisorption) Chemisorption Hauptsächlich durch van der Waals‘ sche Kräfte verursacht. Adsorbierte Substanz bleibt chemisch unverändert. Starke Bindung zwischen Molekül und Adsorberfläche.

5 5 Adsorbens:Adsorptionsmittel Adsorptiv: zu adsorbierender Stoff Adsorpt: Stoff im adsorbierten Zustand Adsorbat: Gesamtsystem Adsorbens plus Adsorpt (Häufig aber auch für die gebundene fluide Phase alleine statt Adsorpt benutzt.) Definition der wichtigsten Begriffe

6 6 homogen heterogen mehrschichtig Adsorptionsgrenzfilm Adsorptiv Adsorpt (einschichtig) (Sorbend, Sorbat, Adsorbat) Grenzfläche aktive Zentren Adsorption Desorption siehe (b) Adsorptiv Adsorbenskorn Grenzfilm Adsorbens feste Phase Adsorbat(phase) Adsorption (exotherm) Desorption (endotherm) Gasphase Trägergas Gasphase Wichtigste Begriffe der Adsorption/Desorption am Beispiel von Gasen bzw. Dämpfen (a)(b) Definition der wichtigsten Begriffe

7 7 Prinzip einer Adsorptionsanlage Vereinfachtes Fließbild einer typischen Festbettadsorberanlage Quasi kontinuierliches Verfahren:  Adsorption im oberen Teil des Festbettes unter Wärmeabgabe.  Adsorptionsfront verschiebt sich mit der Zeit, bis zum Durchbruch.  Abbruch der Adsorptionsperiode vor dem Durchbruch und Regeneration des Festbettes.  Fortsetzung der Adsorption im zweiten bereits regenerierten Festbett. Rohgas beladenes Spülgas Adsorption Reingas Desorption (Regeneration) AdsorptionDesorption / Regeneration frisches Spülgas

8 8 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 2.1Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption) 2.2Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport) 2.3Dynamik der Adsorption (Adsorption im Festbettadsorber) 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische Adsorbentien 6Regenerierung, Reaktivierung und Entsorgung von Adsorbentien 7Auslegung von Adsorbern 8Großtechnische Anwendungsbeispiele

9 9 Grundlagen der Adsorption  Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption)  Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport)  Dynamik der Adsorption (Adsorption im Festbettadsorber)

10 10 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 2.1Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption) 2.2Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport) 2.3Dynamik der Adsorption (Adsorption im Festbettadsorber) 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische Adsorbentien 6Regenerierung, Reaktivierung und Entsorgung von Adsorbentien 7Auslegung von Adsorbern 8Großtechnische Anwendungsbeispiele

11 11 Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption) Im stationären Zustand  Temperaturabhängiges Gleichgewicht zwischen Adsorptivmolekülen in der Gas- oder Flüssigphase und Adsorptmolekülen auf der festen Adsorbensoberfläche (Adsorbatphase). Molare Beladungskapazität für die Komponente i (molare Gleichgewichtsbeladung) [mol/kg]: X i ’ (2-2) Massenbeladungskapazität für die Komponente i (Massengleichgewichtsbeladung) [kg/kg]: X i (2-1) Gleichgewichtsbeladung [%] = X i  100 %

12 12 Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption) Beladung der Festphase (Adsorbens) - X [kg/kg] Beladung der Gasphase - Y [kg/kg] Beladung der Gasphase mit der Komponente i [kg/kg]: Y i : (2-3) Adsorptionsisotherme  Beladungskapazität X i ’  Gleichgewichtspartialdruck der Komponente i (p i *)  Beladungskapazität X i  Gleichgewichtskonzentration der Komponente i (  i * )  Gleichgewichtsbeladung [%]  Gleichgewichtskonzentration der Komponente (  i * )

13 13 Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption) Adsorptionsisotherme Beladungskapazität des Adsorbens  Gleichgewichtspartialdruck der Komponente i ( ). Einkomponenten Adsorptionsisothermen für CO 2 und C 2 H 4 bei 40°C xi’xi’ Adsorbens

14 14 Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption) Adsorptionsisotherme Beladungskapazität des Adsorbens X i  Gleichgewichtskonzentration  i * X i [g/100 g]  i * (Gleichgewichtskonzentration) [g/m 3 ] Adsorbens: Aktivkohle Norit RB (3 –4 mm) Temperatur: 20 °C Adsorptiv 1 – Benzol 2 – Toluol 3 – Xylol 4 – Hexan 5 – Octan Isothermen verschiedener flüchtiger Organika bei 20 °C am Aktivkohle

15 15 Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption) Adsorptionsisotherme Gleichgewichtsbeladung [%]  Gleichgewichtskonzentration  i * Gleichgewichtsbeladung [%]  i * (Gleichgewichtskonzentration) [g/m 3 ] Gleichgewichtsbeladung [%] als Funktion der Gleichgewichtskonzentration von Ethylacetat (Adsorbens: Aktivkohle, Temperatur 180°C)

16 16 Einfluss der Temperatur höhere Temperaturen  geringere Beladungskapazität Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption) X i [g/100 g] Adsorbens: Aktivkohle Sorbonorit (3 –4 mm) Adsorptiv: Isobutan Temperatur 1 – 20°C 2 – 40°C 3 – 60°C 4 – 120°C 5 – 140°C 6 – 160°C  i * (Gleichgewichtskonzentration) [g/m 3 ] Einfluss der Adsorptionstemperatur auf die Beladungskapazität von Aktivkohle

17 17 Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption) Zur Beschreibung der Adsorptions-Isothermen (X i = f( )) wurden verschiedene Modelle entwickelt: Langmuir-Isotherme Freundlich- Isotherme Brunauer-Emmet-Teller (BET) Isotherme Dubinin

18 18 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 2.1Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption) 2.2Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport) 2.3Dynamik der Adsorption (Adsorption im Festbettadsorber) 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische Adsorbentien 6Regenerierung, Reaktivierung und Entsorgung von Adsorbentien 7Auslegung von Adsorbern 8Großtechnische Anwendungsbeispiele

19 19 Kinetik beschreibt:Geschwindigkeit (Adsorptions-/Desorptionsgeschwindigkeit) mit der ein System im Nicht-Gleichgewichtzustand dem Gleichgewichtszustand entgegenstrebt. tatsächlicher (effektiver) Partialdruck der Komponente i [bar] Gleichgewichtspartialdruck der Komponente i [bar] Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport) >  positive Triebkraft > 0 vorhanden  Adsorption bis Desorption (Regeneration):  umgekehrter Prozess < 0, durch Temperaturerhöhung (Temperaturwechselverfahren) oder Druckerniedrigung (Druckwechselverfahren)  bis zum Gleichgewicht. Adsorption:

20 20 Adsorptions-/Desorptionsgeschwindigkeit :  abhängig von den miteinander gekoppelten, instationären Stoff- und Wärmetransportvorgängen (Stoff- und Wärmetransportwiderstände). Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport) Stoff- und Wärmetransportwiderstände  Einstellung von Beladungs- und Temperaturprofilen. Brutto-Adsorptionsgeschwindigkeit  langsamster Transportvorgang ist geschwindigkeitsbestimmend.

21 21 Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport) Adsorption am Beispiel eines gasförmigen Adsorptivs i an zeolithischen Molekularsieben: (a) Stofftransportvorgänge

22 22 Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport) Adsorption am Beispiel eines gasförmigen Adsorptivs i an zeolithischen Molekular- sieben: (b) Beladungsprofile an einem überströmten Einzelkorn des Adsorbens

23 23 Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport) Adsorption am Beispiel eines gasförmigen Adsorptivs i an zeolithischen Molekularsieben: (c) Beladungs- und Temperaturprofil am überströmten Einzelkorn im Grenzfall Filmdiffusionswiderstand << Porendiffusionswiderstand.

24 24 Kleine Anströmgeschwindigkeiten der Abgeberphase:  dicker Grenzfilm mit großem  g um das Adsorbenskorn  Diffusionswiderstand im Grenzfilm größer als im Porensystem  Grenzfilmdiffusion bestimmt die Adsorptionsgeschwindigkeit Größeren Anströmgeschwindigkeiten der Abgeberphase:  g wird kleiner  Filmdiffusionswiderstand wird kleiner als der Porendiffusionswiderstand  Porendiffusion geschwindigkeitsbestimmend (abhängig von der Porenstruktur des Adsorbens) Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport)

25 25 Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport) d M :Durchmesser der Adsorbatmoleküle  i :mittlere freie Weglänge der Komponente i d Po :Porendurchmesser Transportmechanismen (Porendiffusion) in einer zylindrischen Makropore (a, b, c) sowie in Mikroporen (d) des Adsorbens In Makroporen: (a) freie Diffusion, (b) Knudsen-Diffusion, (c) Oberflächendiffusion, In Mikroporen: (d) aktivierte Mikroporendiffusion + Poiseuille Strömung

26 26 Transportvorgänge (bestimmen den zeitlichen Verlauf der Adsorption) äußere Stoff- und Wärmetransportmechanismen am Einzeladsorbenskorn (also im Bereich des Grenzfilms um das Korn), innere Stoff- und Wärmetransportmechanismen im Porensystem des Einzelkorns, Stoff- und Wärmetransport im Adsorbensfestbett (Dynamik der Adsorption). Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport)

27 27 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 2.1Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption) 2.2Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport) 2.3Dynamik der Adsorption (Adsorption im Festbettadsorber) 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische Adsorbentien 6Regenerierung, Reaktivierung und Entsorgung von Adsorbentien 7Auslegung von Adsorbern 8Großtechnische Anwendungsbeispiele

28 28 Dynamik der Adsorption (Adsorption im Festbettadsorber) Stoff- und Wärmetransport durch Diffusion und Wärmeleitung:  zeitliche und örtliche Konzentrationsänderung der Adsorptive i,  zeitliche und örtliche Temperaturänderung in der Fluidphase. Strömung durch das Festbett Adsorption  Transport der Adsorptive i an das feste Adsorbens  Abfuhr der Adsorptionswärme Desorption  Abtransport der desorbierten Komponenten  Zufuhr der Desorptionswärme Zeitabhängige Massenkonzentrationsprofile und Temperaturprofile im Festbett. Dynamik  Auswirkung der Kinetik auf den zeitlichen Verlauf der Adsorption in technischen Adsorbern

29 29 Dynamik der Adsorption (Adsorption im Festbettadsorber) Beispiel:Trocknung eines Wasserdampf beladenen Volumenstromes in einem Festbettadsorber (Silicagel-Bett)

30 30 Dynamik der Adsorption (Adsorption im Festbettadsorber) Isotherme Einkomponenten-Adsorption im Festbettadsorber mit einem fluiden Adsorptiv i: (a)Massenkonzentrationsprofile  i (z,t) im Festbett in Abhängigkeit von der Zeit t, (b)Massenkonzentrationsverläufe  i (t,z) im Festbett in Abhängigkeit der axialen Höhenkoordinate z.  i,E : Eingangsmassenkonzentration der Komponente i [kg/m³]  i,A : Austrittsmassenkonzentration der Komponente i [kg/m³] H ads : Schütthöhe des Adsorbensbettes [m] Zeitliche Entwicklung der Massenüber- gangszone MTZ (Mass Transfer Zone) Ausbildung der Durchbruchskurve DBK

31 31 Dynamik der Adsorption (Adsorption im Festbettadsorber) (a) Relative Massenkonzentrationsprofile  i (z,t)/  i,E im Festbettadsorber zu den Zeitpunkten t 1, t 2, t 3, t 4, (b) zugehörige (reale) Durchbruchskurve (DBK)  i,A /  i,E mit der realen Durchbruchszeit t DB und der idealen Durchbruchszeit.

32 32 Dynamik der Adsorption (Adsorption im Festbettadsorber)  Wichtigste Aufgabe der verfahrenstechnischen Auslegung eines Adsorbers: Berechnung der Durchbruchskurve (DBK)  bestimmt die Adsorberlänge (Betthöhe) H ads sowie die Ausnutzung des Festbettes. MTZ-Zone

33 33 Interpretation der Konzentrationsprofile im Festbettadsorber In einem Festbettadsorber lassen sich folgende drei Zonen unterscheiden: Zone 1:Sättigungsbereich, vollständig beladener Bereich, BA-Zone Zone 2:MTZ (Mass Transfer Zone, Massenübergangszone, Adsorptionszone, teilbeladener Bereich) inkl. LUB (Length of Unused Bed) Zone 3:unbeladener bzw. regenerierter Bereich, FA-Zone Die drei Zonen des Konzentrationsprofils zu einem bestimmten Zeitpunkt t 1 =const. sowie die (formale) Zerlegung der Zone 2 in die Größen MTZ und LUB w MTZ : Geschwindigkeit der mittleren Konzentrationsfront.

34 34 Interpretation der Konzentrationsprofile im Festbettadsorber Zone 1 keine Adsorption  das Adsorbens hat die Gleichgewichtsbeladung X i,ads erreicht. maximale Adsorptivkonzentration:  i =  i,E Zone 2 Adsorptionsprozess läuft noch ab  die Adsorptivkonzentration fällt ab. Konzentrationsabfall wird durch –die Krümmung der Adsorptionsisothermen, –dem Fluidvolumenstrom sowie –die Kinetik der Stoff- und Wärmetransportprozesse bestimmt. Adsorptionskapazität des Festbetts wird nur noch unvollständig ausgenutzt. (Formale) Zerlegung der teilbeladenen MTZ in einen vollständig beladenen Bereich und einen vollständig unbeladenen Bereich LUB (Length of Unused Bed). Symmetrische Konzentrationsfront  (Flächen über bzw. unter dem Graphen): (2-4) Zone 3 Konzentrationsfront (Adsorptionsfront) hat diese Zone noch nicht erreicht  noch keine Adsorption. Idealfall: vollständige Adsorption des Adsorptivs i im Bereich der MTZ  die Adsorptivkonzentration beträgt  i = 0.

35 35 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische Adsorbentien 6Regenerierung, Reaktivierung und Entsorgung von Adsorbentien 7Auslegung von Adsorbern 8Großtechnische Anwendungsbeispiele

36 36 Bauformen von Adsorbern - Diskontinuierlicher Adsorptionsbetrieb - Vorteile einfache Adsorberkonstruktion, erprobte Technik, geringer mechanischer und thermischer Verschleiß. Nachteile große Mengen Adsorbens und Desorptionshilfsstoffe, begrenzte Abmessungen des Adsorbers bzw. Desorbers, Empfindlichkeit des Adsorbens gegen Staubablagerungen, Vergiftung und thermische Beanspruchung. Diskontinuierlich betriebene Adsorber mit Partikel-Adsorbentien: (a) im großvolumigen Festbett, (b) in dünner Ringschicht und (c) in relativ dicker, ebener Schicht.

37 37 Bauformen von Adsorbern - Kontinuierlicher Adsorptionsbetrieb - Vorteile (gegenüber dem diskontinuierlichen Betrieb) kleinere Abmessungen von Ad- und Desorber, kürzere Desorptionsphase bei höheren Temperaturen, geringere Mengen an Adsorbens und an Desorptionshilfsstoffen, relative Unempfindlichkeit des Adsorbens gegen Staubabscheidung und Vergiftung. Nachteile hoher Aufwand bezüglich fördertechnischer Einrichtungen, höherer mechanische Verschleiß des Adsorbens.

38 38 Bauformen von Adsorbern - Kontinuierlicher Adsorptionsbetrieb - Kontinuierlich betriebene Adsorber: (a) mit mehrstufigen Wirbelschichten auf engmaschigen Siebböden mit Adsorbensüberlauf, (b) mit mehrstufigen Wirbelschichten auf weitmaschigen Siebböden mit Durchtritt des Adsorbens durch die Bohrungen.

39 39 Bauformen von Adsorbern - Kontinuierlicher Adsorptionsbetrieb - Kontinuierlich betriebene Adsorber: (c) mit mehrstufigen Wirbelrinnen

40 40 Bauformen von Adsorbern - Kontinuierlicher Adsorptionsbetrieb - Kontinuierlich betriebene Adsorber: (d) mit einem Wirbelrinnenkanal. (e) mit Adsorbenswanderschicht (bei Querströmung der Wanderschicht). (e)

41 41 Bauformen von Adsorbern - Kontinuierlicher Adsorptionsbetrieb - mehrstufige Wirbelschicht mit Adsorbenswanderschicht (Gegenstrom-Adsorber) Rotoradsorber bevorzugt zur Abluftreinigung eingesetzt. Desorption mit Wasserdampf, Heißluft oder Heißstickstoff. wesentlicher Optimierungsparameter: Drehzahl –zu groß: unvollständige Regeneration des Rotors –zu klein: entsprechendes Segment verbleibt zu lange in der Adsorptionszone: „Überfahren“)  Durchbrechen Adsorptionsfront durch den Adsorber

42 42 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische Adsorbentien 6Regenerierung, Reaktivierung und Entsorgung von Adsorbentien 7Auslegung von Adsorbern 8Großtechnische Anwendungsbeispiele

43 43 Charakterisierung von Adsorbentien Daten zur Charakterisierung und Beurteilung von Adsorbentien: Partikelform Dichten und Porositäten –Feststoffdichte (auch wahre Dichte, Dichte des Adsorbensgerüsts)  [kg/m 3 ] –Partikeldichte (scheinbare Dichte)  s [kg/m 3 ] –Adsorbensporosität  p [-] –Schüttdichte (Rütteldichte) [kg/m 3 ] –Schüttungsporosität  [-] Oberflächen –gesamte innere Oberfläche o [m 2 /g] –Mikro-, Meso- und Makroporenoberfläche [m 2 /g] Volumina –Gesamtporenvolumen p [cm 3 /g] –Mikro-, Meso- und Makroporenvolumina [cm 3 /g] differentielle Porenverteilungskurve Adsorptionsisothermen spezifische Wärmekapazität c [kJ/(kg * K] Wärmeleitfähigkeit λ [W/(m*K]

44 44 Spezifische Oberfläche, Porenstruktur und Porenverteilung Große spezifische Oberflächen nur an inneren Oberflächen feinporöser Stoffe (sehr feine Mikroporen). Zuordnung von Porendurchmessern Bestimmung der spezifischen Oberfläche:  BET-Methode (Methode von Brunauer, Emmet und Teller).  Aus der Stickstoffisothermen wird der Wert für eine monomolekulare Bedeckung abgeleitet  Daraus wird die Größe der bedeckten Oberfläche ermittelt. für die Adsorption am wichtigsten beeinflussen die Diffusions- geschwindigkeit zu den Mesoporen und Mikroporen

45 45 Ermittlung der Porenverteilung eines Adsorbens: Aus den Messwerten der Stickstoffisothermen (auch Wasserdampf- oder Benzolisothermen)  Auswertung des Desorptionsteiles der Isothermen auf Basis der für die Porenkondensation angegebenen Kelvin-Gleichung.  Reste Korrelation zwischen dem Relativdampfdruck und dem Porenradius. Spezifische Oberfläche, Porenstruktur und Porenverteilung Ermittlung der Verteilung der Makroporen einer Aktivkohle: Methode: Quecksilberporosimetrie.  Basiert darauf, dass flüssiges Quecksilber Aktivkohle nicht benetzt.  Es dringt nur unter Einwirkung eines äußeren Druckes in kleine Poren ein.  Dieser Druck ist eine Funktion der Porengröße: (4-5) p:Druck [bar] r: Porenradius [m] : Oberflächenspannung des Quecksilbers [N/m] : Benetzungswinkel [°]

46 46 Spezifische Oberfläche, Porenstruktur und Porenverteilung Differentielle Porenverteilungskurven (Häufigkeitsverteilung)

47 47 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische Adsorbentien 6Regenerierung, Reaktivierung und Entsorgung von Adsorbentien 7Auslegung von Adsorbern 8Großtechnische Anwendungsbeispiele

48 48 Technische Adsorbentien Anforderungen an technische Adsorbentien: ausreichende Größe der Grenzfläche (>100 m 2 /g), leichte Zugänglichkeit der Grenzfläche für die zu adsorbierenden Moleküle, ausreichende Selektivität gegenüber einer Komponente aus einem Gemisch. Des Weiteren spielen für den praktischen Einsatz eine Rolle: Hohe Zusatzbeladung auch bei niedriger Adsorptivkonzentration in der Fluidphase, hohe Nutzkapazität (Arbeitskapazität), günstige Desorptionseigenschaften, gute Regenerierbarkeit, geringe Restbeladung, große Adsorptionsgeschwindigkeit, kurze Massenübergangszone (MTZ), hohe Wärmestabilität (Dampfstabilität), gute chemische Stabilität, geringe Entflammbarkeit, hohe Abriebsfestigkeit, geringer Schüttungsdruckverlust, geringer Preis.

49 49 Technische Adsorbentien In der Praxis  hauptsächlich folgende Adsorbentien: Aktivkohle Kieselgel Aktivtonerde Molekularsiebe –Zeolithe –Kohlenstoff-Molekularsiebe Weitere Adsorbentien –Polymeradsorbentien, Polymerharze –Poröse Gläser

50 50 Aktivkohle Kenndaten von Aktivkohle

51 51 Kieselgel Kenndaten von Kieselgel

52 52 Aktivtonerde Kenndaten von Aktivtonerde Aktivtonerde:  Besteht zu ca % aus Aluminium(III)-oxid.  Sehr stabile und abriebsfeste Pellets.  Adsorptionseigenschaften ähnlich zu den Silicagelen.  Bei höheren Temperaturen ist ihre Kapazität jedoch größer als die der Silicagele  Trocknung heißer Gase.  Haupteinsatzgebiet als Katalysatorträger.

53 53 Molekularsiebe - Zeolithe Kenndaten wichtiger Molekularsiebe

54 54 Polymeradsorbentien, Polymerharze  Abscheidung organischer Komponenten Vorteile: Regeneration bei niedrigen Temperaturen (empfohlen °C), geringe Affinität zu Wasserdampf, Reduzierung katalytischer Reaktionen im Vergleich zur Aktivkohle. Adsorptionsisotherme von Adsorberpolymeren im Vergleich mit anderen Adsorbentien.

55 55 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische Adsorbentien 6Regenerierung, Reaktivierung und Entsorgung von Adsorbentien 7Auslegung von Adsorbern 8Großtechnische Anwendungsbeispiele

56 56 Regenerierung, Reaktivierung, Entsorgung Regenerationsverfahren: Temperaturwechselverfahren Druckwechselverfahren Verdrängungsdesorption Extraktion (Desorption in die flüssige Phase)

57 57 Regenerationsverfahren - Temperaturwechselverfahren Temperatur des beladenen Adsorbens wird erhöht  Beladefähigkeit für Adsorptiv wird herabgesetzt. Wärmeträger: Luft Inertgas Wasserdampf Anwendungsgebiete: Molekularsiebe  beladen mit Wasser, Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid Aktivkohle und Silicagel  bei Beladung mit Kohlenwasserstoffen. Vorteile: hohe Konzentration des Desorbats erreichbar, Desorption auch stark gebundener Komponenten möglich, hohe Adsorptivreinheiten erzielbar. Nachteile: Schädigung oder chemische Veränderung von Adsorptiv und Adsorbens, große Apparatedimension wegen des schlechten Wärmeübergangs und der geringen Energiedichte bei Heißgasdesorption, großer Zeitbedarf, Einsatz bei kleiner Adsorptivkonzentration.

58 58 Regenerationsverfahren - Temperaturwechselverfahren Varianten: Niederdruckdampf-Desorption (Arbeitsdruck < 2bar) für nicht korrosive, schlecht mit Wasser mischbare Adsorptive mit einem Siedepunkt von max. 150 °C, für flüchtige Adsorptive mit großer Adsorptionswärme. Dampf-Desorption bei höherem Druck ( > 2bar) für nicht korrosive, thermisch stabile, schlecht mit Wasser mischbare Adsorptive mit höherem Siedepunkt, für komplexe Adsorptivgemische im Bereich niedriger Konzentrationen. Heißgas-Desorption für korrosive und/oder gut mit Wasser mischbare Adsorptive mit Siedepunkten über 150°C.

59 59 Regenerationsverfahren - Druckwechselverfahren Der erhöhte Druck im Adsorber wird durch Entspannen oder Evakuieren abgesenkt  Aufnahmefähigkeit des Adsorbens für Adsorpt sinkt,  Adsorpt wird freigesetzt und mit Spülgas abgeführt oder abgesaugt. Anwendungsgebiete: Entfernung von Wasserdampf und Kohlendioxid aus Inertgasen mit Molekularsieben oder Silicagel als Adsorbentien, Abtrennung von Stickstoff aus Luft. Vorteile: kurze Desorptionszeit, kleine Apparateabmessungen, freigesetzte Adsorptionswärme kann zur Desorption genutzt werden, Einsatz auch bei hoher Adsorptivkonzentration. Nachteile: Einsatz teurer elektrischer Energie als Antriebsarbeit für Gebläse, Einsatz nur bei schwach gebundenen Adsorptiven.

60 60 Regenerationsverfahren - Verdrängungsdesorption  Adsorpt wird durch ein zusätzliches Desorptionsmittel, das durch das Adsorbens besser aufgenommen wird, verdrängt.  Das Desorptionsmittel muss dabei so ausgewählt werden, dass es leicht vom Adsorptiv wieder abgetrennt werden kann. Adsorpt wird durch ein zusätzliches Desorptionsmittel, das durch das Adsorbens besser aufgenommen wird, verdrängt.

61 61 Regenerationsverfahren - Extraktion (Desorption in die flüssige Phase)  Löslichkeit des Adsorpts im Lösemittel nimmt mit steigender Temperatur zu (Temperaturerhöhung zur Steigerung der Desorptionsgeschwindigkeit). Anwendungsbedingungen: gut aufnehmende Lösungsmittel stehen zur Verfügung, Temperaturwechselverfahren kommt wegen thermischer Empfindlichkeit des Adsorptivs nicht infrage. Anwendungsgebiete: z.B. Extraktion adsorbierten Schwefels mit Schwefelkohlenstoff als Lösungsmittel. Adsorpt wird mit einem Lösemittel von der Adsorbensoberfläche extrahiert und im gelösten Zustand entfernt.

62 62 Reaktivierung / Entsorgung Mit der Anzahl der Regenerierzyklen lässt die Arbeitskapazität der Adsorbentien häufig nach. Ursachen: Anlagerung schwerflüchtiger Komponenten, die bei der Regeneration nicht entfernt werden, Polymerisation von Adsorptkomponenten oder andere Reaktionen in den Poren. Verfahren zur Reaktivierung: chemische Reaktivierung  entspricht im Wesentlichen der ursprünglichen Aktivierung der Kohle. thermische Aktivierung  Wird bei Temperaturen um 800 °C durchgeführt. Entsorgung:  Verbrennung (chem. Zusammensetzung bekannt!)

63 63 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische Adsorbentien 6Regenerierung, Reaktivierung und Entsorgung von Adsorbentien 7Auslegung von Adsorbern 8Großtechnische Anwendungsbeispiele

64 64 Anwendungsmöglichkeiten der Adsorption

65 65 Anwendungsmöglichkeiten der Adsorption

66 66 Anwendungsmöglichkeiten der Adsorption

67 67 Anwendungsmöglichkeiten der Adsorption

68 68 Literatur Gliederung

69 69 Literatur  Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik, Verlag Moderne Industrie, 1980  Kast, W., Adsorption aus der Gasphase, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 1988  Valenzuela, D.P.; Myers, A.L. : Adsorption Equilibrium Dta Handbook, Prentice Hall, Englewood Cliffs, USA  Technische Regeln für brennbare Flüssigkeiten (TRBF 100), Carl Heymans Verlag KG, Köln, laufend ergänzt.  Naujokas, A.A.: Plant Oper. Progr. 4 (1985) Nr.2, S.120/126  Naujokas, A.A.: Loss Prev. 12 (1979) Nr.2, S.128/135

70 70  Kienle, H., Bäder, E., Aktivkohle und ihre industrielle Anwendung, Enke Verlag, Stuttgart, 1980  Norit, Aktivkohle - Eine Einführung, Aktivkohle Daten, Firmenprospekt, 1993  Römpp's Chemie-Lexikon, 8. Auflage, Franckh'sche Verlagshandlung Stuttgart  Sattler, K., Thermische Trennverfahren, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 2002  Ullmann's Enzyklop die des technischen Wissens, 4. Auflage, Band 14, 1981  Axel Schönbucher, Thermische Verfahrenstechnik, Springer Verlag, 2002 Literatur

71 71 Anhang Gliederung

72 72 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische Adsorbentien 6Regenerierung, Reaktivierung und Entsorgung von Adsorbentien 7Auslegung von Adsorbern 8Großtechnische Anwendungsbeispiele

73 73 Vereinfachtes Fließbild einer typischen Festbettadsorberanlage (einstufig) Rohgas beladenes Spülgas Adsorption Reingas Desorption (Regeneration) AdsorptionDesorption / Regeneration frisches Spülgas Auslegung von Adsorbern - Varianten der Adsorption Varianten: Einstufige Adsorption Mehrstufige Adsorption  Kreuzstrom  Gegenstrom

74 74 Mehrstufige Adsorption im Kreuzstrom Massen-Gasstrom [kg/s] XMassenbeladung (Beladungskapazität) des Adsorbens [kg/kg] YMassebeladung des Gasstromes [kg/kg] Massen-Gasstrom am Eingang bzw. Ausgang [kg/s] Massenstrom des inerten Trägergases [kg/s] Massenstrom des Adsorbens [kg/s] X E, X A Massen-Beladung des Adsorbens am Eingang, Ausgang [kg/kg] Y E, Y A Massen-Beladung der Gasphase am Eingang, Ausgang [kg/kg] 1,...,NTrennstufen 1,..,N Mehrstufige Adsorption im Gegenstrom Y A ~Y N XEXE YEYE YAYA XEXE XEXE XEXE XAXA YEYE X A ~X 1 Auslegung von Adsorbern - Varianten der Adsorption

75 75 Auslegung einer einstufigen Adsorption im Behälteradsorber (Adsorptionsfilter) mit Adsorbensfestbett Aufgenommene Menge an Adsorptiv m i [kg]: Massenstrom des inerten Trägerstrom der Abgeberphase [kg/s] X A, X E Massen-Beladung des Adsorbens am Eingang, Ausgang [kg/kg] Y A, Y E Massen-Beladung der Gasphase am Eingang, Ausgang [kg/kg] m S Adsorbensmasse [kg] t g Beladungsdauer [s] Schütthöhe H ads des Adsorbensbettes: (7-1) (7-2) :Schüttdichte [kg/m 3 ] A Q :Querschnitt des Adsorbensbettes [m 2 ] H ads :Schütthöhe des Adsorbensbetts [m]

76 76 Auslegung einer einstufigen Adsorption im Behälteradsorber (Adsorptionsfilter) mit Adsorbensfestbett Für A Q -Bestimmung  Auswahl von Gasbelastungsfaktor F: F:Gasbelastungsfaktor w g :Geschwindigkeit des Gasgemisches (auf den leeren Adsorberquerschnitt A Q bezogen (Leerrohrgeschwindigkeit)) [m/s] :Schüttdichte [kg/m³] (7-3) F  w g  A Q

77 77 Auslegung einer einstufigen Adsorption im Behälteradsorber (Adsorptionsfilter) mit Adsorbensfestbett (a) Bewegung der Massenübergangszone im Adsorbensfestbett (b) Entwicklung der Durchbruchskurve FA:Zone mit frischem bzw. regeneriertem Adsorbens, MTZ:Massenübergangs- bzw. Adsorptionszone, BA:Zone mit beladenem Adsorbens, YAdsorptivbeladung der Abgeberphase

78 78 Auslegung einer einstufigen Adsorption im Behälteradsorber (Adsorptionsfilter) mit Adsorbensfestbett (c) Durchbruchskurven für Adsorptionssysteme mit guter und schlechter Kinetik DK:Durchbruchskurve (G gute Kinetik, S schlechte Kinetik) :Zeit bis zum Beginn des Durchbruchs über Y A hinaus [s] :Zeit bis zum Beladungsanstieg auf am Festbettende [s],

79 79 Auslegung einer einstufigen Adsorption im Behälteradsorber (Adsorptionsfilter) mit Adsorbensfestbett Berechnung von LUB unter Annahme einer konstanten Ausdehnung von MTZ und gleichbleibender MTZ-Wanderungsgeschwindigkeit w MTZ : (7-5) :Zeit bis zum Beladungsanstieg auf am Festbettende [s], :Zeit bis zum Beginn des Durchbruchs über Y A hinaus [s] :Festbetthöhe (Adsorbensschütthöhe) [m] zur Zeit :MTZ-Wanderungsgeschwindigkeit [m/s] Legt man als Beladedauer fest, so ist die verfügbare Betthöhe H ads,eff : (7-6) Symmetrischer, s-förmigen Verlauf der Beladungskurve  Adsorptionskapazität in der MTZ zu 50 % ausgeschöpft: (7-4) LUB: Länge des unbenutzten Bettes (length of unused bed) Berechnung von LUB

80 80 Auslegung einer einstufigen Adsorption im Behälteradsorber (Adsorptionsfilter) mit Adsorbensfestbett Druckverlust  p der Abgeberphase beim Durchströmen des Adsorbensfestbett der Höhe H ads,eff (Gleichung von Ergun): k 1, k 2 :schüttungsspezifische Konstanten [-]  :Schüttungsporosität [-]  g :dynamische Viskosität [kg/(m*s)]  g :Dichte der Abgeberphase [g/m 3 ], w g :Geschwindigkeit, bezogen auf den Schüttungsquerschnitt [m/s] d p :Adsorbensdurchmesser [m] (7-7)

81 81 Auslegung einer einstufigen Adsorption im Behälteradsorber (Adsorptionsfilter) mit Adsorbensfestbett Enthalpiebilanz um den Festbettadsorber: h g, E, h g, A :Enthalpie des ein- bzw. austretenden Massenstroms der Abgeberphase [kJ/kg] h s, E, h s, A :Enthalpie des Adsorbens (ohne Adsorptbeladug) zu Beginn bzw. zu Ende der Beladephase) [kJ/kg] Q:Wärme [kJ] |Q ads |:Adsorptionswärme [kJ] (7-8) Enthalpie / Wärme-Berechnung


Herunterladen ppt "Adsorption Technische Chemie II. 2 Gliederung 1Einleitung 2Grundlagen der Adsorption 3Bauformen von Adsorbern 4Charakterisierung von Adsorbentien 5Technische."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen