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Technische Chemie II Adsorption.

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Präsentation zum Thema: "Technische Chemie II Adsorption."—  Präsentation transkript:

1 Technische Chemie II Adsorption

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

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

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 Definition der wichtigsten Begriffe
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.)

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

7 Prinzip einer Adsorptionsanlage
Rohgas beladenes Spülgas Adsorption Reingas Desorption (Regeneration) Adsorption Desorption / Regeneration frisches Spülgas 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. Vereinfachtes Fließbild einer typischen Festbettadsorberanlage

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

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

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

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

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]: Yi: (2-3) Adsorptionsisotherme Beladungskapazität Xi’  Gleichgewichtspartialdruck der Komponente i (pi*) Beladungskapazität Xi  Gleichgewichtskonzentration der Komponente i (i*) Gleichgewichtsbeladung [%]  Gleichgewichtskonzentration der Komponente (i*)

13 Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption)
Adsorptionsisotherme Beladungskapazität des Adsorbens  Gleichgewichtspartialdruck der Komponente i ( ). Adsorbens xi’ Einkomponenten Adsorptionsisothermen für CO2 und C2H4 bei 40°C

14 Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption)
Adsorptionsisotherme Beladungskapazität des Adsorbens Xi  Gleichgewichtskonzentration i* Adsorbens: Aktivkohle Norit RB (3 –4 mm) Temperatur: 20 °C Adsorptiv 1 – Benzol 2 – Toluol 3 – Xylol 4 – Hexan 5 – Octan Xi [g/100 g] i* (Gleichgewichtskonzentration) [g/m3] Isothermen verschiedener flüchtiger Organika bei 20 °C am Aktivkohle

15 Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption)
Adsorptionsisotherme Gleichgewichtsbeladung [%]  Gleichgewichtskonzentration i* Gleichgewichtsbeladung [%] i* (Gleichgewichtskonzentration) [g/m3] Gleichgewichtsbeladung [%] als Funktion der Gleichgewichtskonzentration von Ethylacetat (Adsorbens: Aktivkohle, Temperatur 180°C)

16 Adsorptionsgleichgewicht (Statik der Adsorption)
Einfluss der Temperatur höhere Temperaturen  geringere Beladungskapazität 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 Xi [g/100 g] i* (Gleichgewichtskonzentration) [g/m3] Einfluss der Adsorptionstemperatur auf die Beladungskapazität von Aktivkohle

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

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

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

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

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

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 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 Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport)
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)

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

26 Kinetik der Adsorption (Stoff- und Wärmetransport)
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).

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

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

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

30 Dynamik der Adsorption (Adsorption im Festbettadsorber)
Zeitliche Entwicklung der Massenüber-gangszone MTZ (Mass Transfer Zone) Ausbildung der Durchbruchskurve DBK i,E: Eingangsmassenkonzentration der Komponente i [kg/m³] i,A: Austrittsmassenkonzentration der Komponente i [kg/m³] Hads: Schütthöhe des Adsorbensbettes [m] 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.

31 Dynamik der Adsorption (Adsorption im Festbettadsorber)
(a) Relative Massenkonzentrationsprofile i(z,t)/i,E im Festbettadsorber zu den Zeitpunkten t1, t2, t3, t4, (b) zugehörige (reale) Durchbruchskurve (DBK) i,A/i,E mit der realen Durchbruchszeit tDB und der idealen Durchbruchszeit .

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

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 t1=const. sowie die (formale) Zerlegung der Zone 2 in die Größen MTZ und LUB wMTZ: Geschwindigkeit der mittleren Konzentrationsfront.

34 Interpretation der Konzentrationsprofile im Festbettadsorber
Zone 1 keine Adsorption  das Adsorbens hat die Gleichgewichtsbeladung Xi,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 Gliederung 1 Einleitung 2 Grundlagen der Adsorption
3 Bauformen von Adsorbern 4 Charakterisierung von Adsorbentien 5 Technische Adsorbentien 6 Regenerierung, Reaktivierung und Entsorgung von Adsorbentien 7 Auslegung von Adsorbern 8 Großtechnische Anwendungsbeispiele

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

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

41 Bauformen von Adsorbern - Kontinuierlicher Adsorptionsbetrieb -
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 mehrstufige Wirbelschicht mit Adsorbenswanderschicht (Gegenstrom-Adsorber)

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

43 Charakterisierung von Adsorbentien
Daten zur Charakterisierung und Beurteilung von Adsorbentien: Partikelform Dichten und Porositäten Feststoffdichte (auch wahre Dichte, Dichte des Adsorbensgerüsts)  [kg/m3] Partikeldichte (scheinbare Dichte) s [kg/m3] Adsorbensporosität p [-] Schüttdichte (Rütteldichte) [kg/m3] Schüttungsporosität  [-] Oberflächen gesamte innere Oberfläche o [m2/g] Mikro-, Meso- und Makroporenoberfläche [m2/g] Volumina Gesamtporenvolumen p [cm3/g] Mikro-, Meso- und Makroporenvolumina [cm3/g] differentielle Porenverteilungskurve Adsorptionsisothermen spezifische Wärmekapazität c [kJ/(kg * K] Wärmeleitfähigkeit λ [W/(m*K]

44 Spezifische Oberfläche, Porenstruktur und Porenverteilung
Große spezifische Oberflächen nur an inneren Oberflächen feinporöser Stoffe (sehr feine Mikroporen). beeinflussen die Diffusions-geschwindigkeit zu den Mesoporen und Mikroporen Zuordnung von Porendurchmessern für die Adsorption am wichtigsten 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.

45 Spezifische Oberfläche, Porenstruktur und Porenverteilung
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. 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 Spezifische Oberfläche, Porenstruktur und Porenverteilung
Differentielle Porenverteilungskurven (Häufigkeitsverteilung)

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

48 Technische Adsorbentien
Anforderungen an technische Adsorbentien: ausreichende Größe der Grenzfläche (>100 m2/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 Technische Adsorbentien
In der Praxis  hauptsächlich folgende Adsorbentien: Aktivkohle Kieselgel Aktivtonerde Molekularsiebe Zeolithe Kohlenstoff-Molekularsiebe Weitere Adsorbentien Polymeradsorbentien, Polymerharze Poröse Gläser

50 Aktivkohle Kenndaten von Aktivkohle

51 Kieselgel Kenndaten von Kieselgel

52 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. Kenndaten von Aktivtonerde

53 Molekularsiebe - Zeolithe
Kenndaten wichtiger Molekularsiebe

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

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

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 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 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 Regenerationsverfahren - Verdrängungsdesorption
Adsorpt wird durch ein zusätzliches Desorptionsmittel, das durch das Adsorbens besser aufgenommen wird, verdrängt. 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.

61 Regenerationsverfahren - Extraktion (Desorption in die flüssige Phase)
Adsorpt wird mit einem Lösemittel von der Adsorbensoberfläche extrahiert und im gelösten Zustand entfernt. 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.

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

64 Anwendungsmöglichkeiten der Adsorption

65 Anwendungsmöglichkeiten der Adsorption

66 Anwendungsmöglichkeiten der Adsorption

67 Anwendungsmöglichkeiten der Adsorption

68 Gliederung Literatur

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 1989. 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 Literatur 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

71 Gliederung Anhang

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

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

74 Auslegung von Adsorbern - Varianten der Adsorption
XE XE XE YA ~YN XE YE YA XA Mehrstufige Adsorption im Kreuzstrom Massen-Gasstrom [kg/s] X Massenbeladung (Beladungskapazität) des Adsorbens [kg/kg] Y Massebeladung des Gasstromes [kg/kg] Massen-Gasstrom am Eingang bzw. Ausgang [kg/s] Massenstrom des inerten Trägergases [kg/s] Massenstrom des Adsorbens [kg/s] XE , XA Massen-Beladung des Adsorbens am Eingang, Ausgang [kg/kg] YE , YA Massen-Beladung der Gasphase am Eingang, Ausgang [kg/kg] 1,...,N Trennstufen 1,..,N YE XA ~X1 Mehrstufige Adsorption im Gegenstrom

75 Auslegung einer einstufigen Adsorption im Behälteradsorber (Adsorptionsfilter) mit Adsorbensfestbett
Aufgenommene Menge an Adsorptiv mi [kg]: (7-1) Massenstrom des inerten Trägerstrom der Abgeberphase [kg/s] XA, XE Massen-Beladung des Adsorbens am Eingang, Ausgang [kg/kg] YA, YE Massen-Beladung der Gasphase am Eingang, Ausgang [kg/kg] mS Adsorbensmasse [kg] tg Beladungsdauer [s] Schütthöhe Hads des Adsorbensbettes: (7-2) : Schüttdichte [kg/m3] AQ: Querschnitt des Adsorbensbettes [m2] Hads: Schütthöhe des Adsorbensbetts [m]

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

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

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

79 Auslegung einer einstufigen Adsorption im Behälteradsorber (Adsorptionsfilter) mit Adsorbensfestbett
Berechnung von LUB 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 unter Annahme einer konstanten Ausdehnung von MTZ und gleichbleibender MTZ-Wanderungsgeschwindigkeit wMTZ: (7-5) : Zeit bis zum Beladungsanstieg auf am Festbettende [s], : Zeit bis zum Beginn des Durchbruchs über YA hinaus [s] : Festbetthöhe (Adsorbensschütthöhe) [m] zur Zeit : MTZ-Wanderungsgeschwindigkeit [m/s] Legt man als Beladedauer fest, so ist die verfügbare Betthöhe Hads,eff: (7-6)

80 Auslegung einer einstufigen Adsorption im Behälteradsorber (Adsorptionsfilter) mit Adsorbensfestbett
Druckverlust p der Abgeberphase beim Durchströmen des Adsorbensfestbett der Höhe Hads,eff (Gleichung von Ergun): (7-7) k1, k2: schüttungsspezifische Konstanten [-] : Schüttungsporosität [-] g: dynamische Viskosität [kg/(m*s)] g: Dichte der Abgeberphase [g/m3], wg: Geschwindigkeit, bezogen auf den Schüttungsquerschnitt [m/s] dp: Adsorbensdurchmesser [m]

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


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