Adsorption aus der Gasphase

Werner Käst



Adsorption
aus der Gasphase
Ingenieurwissenschaftliche Grundlagen
und technische Verfahren




                          VCH
Inhalt




         Liste der verwendeten Symbole                                           XIII

1        Einführung                                                                1
1.1      Begriff der Adsorption                                                    1
1.2      Geschichtliche Entwicklung der Adsorption                                 2
1.3      Bezeichnungen, Zustand der Phasengrenzen, allgemeine Beschreibung des
         Sorptionsgleichgewichts                                                   3
1.4      Freiheitsgrade des Adsorptionssystems                                     6
         Literatur                                                                 7

2        Technische Adsorbentien                                                   9
2.1      Allgemeines                                                               9
2.2      Aktivkohle                                                               10
2.3      Kieselgel                                                                13
2.4      Aktivtonerde                                                             14
2.5      Zeolithische Molekularsiebe                                              15
2.6      Kohlenstoff-Molekularsiebe                                               18
2.7      Weitere Adsorbentien                                                     20
         Literatur                                                                20

3        Gleichgewicht bei der Adsorption                                         23
3.1      Monomolekulare Belegung                                                  23
3.1.1    Ableitung nach Langmuir                                                  23
3.1.2    Diskussion der Langmuir-Gleichung                                        26
3.1.3    Darstellung der Langmuir-Gleichung                                       26
3.1.4    Die Temperaturabhängigkeit der monomolekularen Belegung                  27
3.2      Die Gleichung von Freundlich                                             27
3.3      Die Gleichung von Dubinin                                                27
3.4      Gleichungen von Brunauer-Emmet-Teller                                    29
3.5      Kapillarkondensation                                                     30
3.5.1    Dampfdruckabsenkung in Kapillaren                                        30
3.5.2    Porenverteilungskurve                                                    31
3.6      Bindungsenergie im Bereich der mehrschichtigen Beladung und der
         Kapillarkondensation                                                     33
3.7      Gleichgewichtsthermodynamik der Einkomponenten-Adsorption                36
3.7.1    Ansatz                                                                   36
3.7.2    Adsorptions- oder Bindungsenergie                                        38
VIII       Inhalt


3.7.3          Thermodynamischer Ansatz für die Sorptionsisotherme                              39
3.8            Theorie der Leerstellenlösung (Vacancy-Solution-Theorie)                         41
3.9            Adsorptions- und Desorptionshysterese                                            42
3.10           Mehrkomponenten-Adsorption                                                       43
3.10.1         Allgemeines und Darstellung                                                      43
3.10.2         Überblick über die Ansätze zur Beschreibung des Gleichgewichts bei der
               Mehrkomponenten-Adsorption                                                       49
3.10.3         Halbempirische Gleichgewichtsbeziehungen für die Adsorption von mehreren
               Komponenten                                                                      49
3.10.4         Thermodynamisches Gleichgewicht bei der Adsorption mehrerer Komponenten          53
3.10.4.1       Gibbs-Duhemsche Gleichung für die adsorbierte Phase                              53
3.10.4.2       Chemisches Potential der adsorbierten Phase                                      54
3.10.4.3       Chemisches Potential der Gasphase                                                55
3.10.4.4       Thermodynamisches Gleichgewicht                                                  55
3.10.5         Auswertung der Gleichgewichtsbedingungen                                         56
3.10.5.1       Verfahren von van Nees                                                           56
3.10.5.2       Theorie der ideal adsorbierten Lösung (IAST)                                     56
3.10.5.3       Analytische Lösung der IAST                                                      58
3.10.5.4       Graphische Lösung der IAST                                                       60
3.10.5.5       Theorie der realen adsorbierten Lösung                                           61
3.10.5.6       Theorie der Leerstellenlösung (Vacancy-Solution-Theorie)                         61
3.10.5.7       Beispiele für die Berechnung des binären Adsorptionsgleichgewichts, Vergleich
               von Rechnungen und Messungen                                                     61
3.10.5.8       Erweiterung auf m-Komponenten                                                    66
3.11           Adsorptionskatalyse                                                              67
               Literatur                                                                        68

4              Stoff- und Wärmetransport im Adsorbens                                           71
4.1            Problemstellung                                                                  71
4.2            Konvektiver Wärme- und Stoffübergang                                             71
4.3            Strömung in den Poren des Adsorbens                                              72
4.4            Molekularbewegung nach Knudsen in den Poren                                      73
4.5            Freie oder Gasdiffusion                                                          74
4.6            Überlagerung der Transportmechanismen in der Gasphase                            75
4.7            Widerstandsfaktoren nv                                                           76
4.8            Transport in der sortierten Phase                                                78
4.9            Aktivierte Spaltdiffusion, Mikroporendiffusion oder interkristalline Diffusion   80
4.10           Temperaturabhängigkeit der Transportkoeffizienten                                82
               Literatur                                                                        83

5              Kinetik der isothermen Ad- und Desorption am Einzelkorn                          85
5.1            Ansätze zur Beschreibung der Kinetik                                             85
5.2            Allgemeine Gleichungen für den instationären Stofftransport unter
               isothermen Bedingungen                                                           87
 5.2.1         Transport und Adsorption in den Makroporen                                       87
 5.2.2         Transport und Adsorption in den Mikroporen                                       90
                                                                                    Inhalt   IX

5.3     Konzentrationsabhängigkeit des instationären Stofftransports bei der Adsorption
        unter isothermen Bedingungen                                                         92
5.4     Konzentrationsabhängigkeit des instationären Stofftransports bei der Desorption
        unter isothermen Bedingungen                                                          96
5.5     Grenzfälle der Sorptionskinetik                                                       97
5.6     Einfluß des äußeren Stoffübergangs auf die Kinetik                                    99
5.7     Kinetisches Modell des Stofftransports im Adsorbens                                   99
5.8     Adsorption mehrerer Komponenten                                                      102
        Literatur                                                                            104

6       Kinetik der nichtisothermen Ad- und Desorption am Einzelkorn                         107
6.1     Probleme und Ansätze                                                                 107
6.2     Charakteristische Abhängigkeiten des Temperaturverlaufs im Adsorbens                 110
6.3     Kopplung von Kinetik und Temperaturänderung anhand experimenteller und
        rechnerischer Befunde                                                                112
6.3.1   Ad- und Desorption bei näherungsweise linearen Isothermen                            112
6.3.2   Änderung des treibenden Potentials bei nichtisothermen Vorgängen                     114
6.3.3   Einfluß der Abmessungen des Adsorbenskorns                                           114
6.3.4   Einfluß der Höhe des Dampfdrucks auf das nichtisotherme Verhalten                    115
6.3.5   Einfluß der Steigung und Krümmung der Sorptionsisothermen                            117
6.4     Grenzfälle der Sorptionskinetik                                                      118
6.4.1   Isotherme Sorption                                                                   118
6.4.2   Adiabate Sorption                                                                    118
6.4.3   Wärmegehemmte Ad- und Desorption                                                     119
6.4.4   Gemeinsame Darstellung der isothermen und nichtisothermen Sorptionskinetik           121
        Literatur                                                                            122

7       Impuls-, Wärme- und Stoffaustalisch in durchströmten Schüttungen                     125
7.1     Problemstellung                                                                      125
7.2     Hohlraumanteil in Schüttungen                                                        125
7.3     Hydraulischer Durchmesser in durchströmten Schüttungen                               127
7.4     Geschwindigkeitsverteilung im Festbett                                               127
7.5     Druckverlust im durchströmten Festbett                                               130
7.6     Wärme- und Stoffübergang "zwischen Fluid und Partikeln in einer durchströmten
        Schüttung                                                                            132
7.7     Wärmeleitfähigkeit in Schüttungen                                                    134
7.7.1   Wärmeleitfähigkeit in nicht-durchströmten Schüttungen                                134
7.7.2   Wärmeleitfähigkeit durchströmter Schüttungen                                         135
7.8     Wärmeübergang zwischen durchströmter Schüttung und Wand                              135
7.9     Axiale Dispersion in durchströmten Schüttungen                                       136
7.10    Mehrkornschüttungen                                                                  138
        Literatur                                                                            138

8       Durchbruchskurve                                                                     141
8.1     Differentialgleichungen zur Bestimmung der zeitlichen und örtlichen
        Konzentrations- und Temperaturfelder im durchströmten Festbett                       141
8.2     Mittlere Frontgeschwindigkeit                                                        144
X          Inhalt

8.3           Durchbruchskurven bei Gleichgewicht zwischen Gas und Adsorbens                         145
8.4           Durchbruchskurve bei linearer Sorptionsisotherme                                       147
8.5           Durchbruchskurve bei irreversibler oder Sättigungsisotherme                            151
8.6           Durchbruchskurve bei axialer Dispersion ohne Adsorption                                152
8.7           Constant Pattern                                                                       153
8.8           Durchbruchskurven bei Mehrkomponenten-Adsorption                                       155
8.9           Durchbruchskurven bei nichtisothermer Adsorption                                       157
8.9.1         Geschwindigkeit der Temperaturfront                                                    157
8.9.2         Berechnung der Durchbruchskurve bei nichtisothermer Adsorption                         161
8.9.3         Dimensionslose Darstellung der nichtisothermen Durchbruchskurve
              und Auslegungsdiagramme                                                                167
8.10          Numerische Methoden zur Berechnung der Durchbruchskurven                               170
8.10.1        Überblick über das Differentialgleichungssystem und die numerischen Lösungsverfahren   170
8.10.2        Methode der finiten Differenzen                                                        172
8.10.3        Methode der orthogonalen Kollokation                                                   175
8.10.4        Charakteristikenverfahren                                                              177
              Literatur                                                                              178

9             Kontinuierliche Adsorption im Gegenstrom, im Kreuzstrom und
              in der Wirbelschicht                                                                   181
9.1           Kontinuierliche Verfahren                                                              181
9.2           Adsorption im Gegenstrom-Wanderbett                                                    181
9.3           Adsorption im Kreuzstrom-Wanderbett                                                    185
9.4           Adsorption in der Wirbelschicht                                                        189
9 .4.1        Einstufige Wirbelschicht                                                               189
9.4.2         Mehrstufige Wirbelschichten                                                            191
9.5           Das Temperaturfeld bei kontinuierlicher Adsorption                                     196
              Literatur                                                                              197

10            Regeneration                                                                           199
10.1          Verfahren zur Regeneration                                                             199
10.2          Regeneration durch Spülen mit adsorptivfreiem Gas                                      200
10.3          Regeneration durch Temperaturwechsel                                                   203
10.4          Regeneration durch Druckwechsel                                                        206
10.5          Regeneration durch Verdrängung                                                         209
              Literatur                                                                              211

11            Adsorptionsverfahren                                                                   213
11.1          Gliederung der Verfahren                                                               213
11.1.1        Gliederung nach Problemstellungen                                                      213
11.1.2        Gliederung nach den Trenneffekten                                                      213
11.1.2.1      Sterischer Effekt                                                                      213
11.1.2.2      Gleichgewichtseffekt                                                                   214
11.1.2.3      Kinetischer Effekt                                                                     214
11.1.2.4      Verbesserung des Trenneffekts durch Präadsorption                                      214
11.1.3        Gliederung nach der Verfahrenstechnik                                                  214
11.1.3.1      Festbettverfahren                                                                      214
                                                                                  Inhalt    XI

11.1.3.2   Wanderbettverfahren                                                             215
11.1.3.3   Wirbelschichtverfahren                                                          215
11.2       Technische Anwendung von Adsorptionsverfahren zur Gastrennung und
           Gasanreicherung                                                                 215
11.2.1     Abtrennung von Wasserstoff aus wasserstoffhaltigen Gasen                        216
11.2.1.1   Darstellung der Verfahren                                                       216
11.2.1.2   Verfahrensbeispiele                                                             219
11.2.2     Zerlegung der Luft in Stickstoff und Sauerstoff                                 220
11.2.2.1   Darstellung der Verfahren                                                       220
11.2.2.2   Verfahrensbeispiele                                                             222
11.2.3     Trennung von n- und «o-Kohlenwasserstoffen                                      223
11.2.3.1   Darstellung der Verfahren                                                       223
11.2.3.2   Verfahrensbeispiel: Total-Isomerization-Process (TIP)                           225
11.2.4     Anreicherung von Ozon                                                           226
11.2.4.1   Darstellung der Verfahren                                                       226
11.2.4.2   Verfahrensbeispiele                                                             227
11.2.5     Abtrennung von Methan aus Gasgemischen und Kohlenwasserstoff-Trennung           228
11.2.5.1   Darstellung der Verfahren                                                       228
11.2.5.2   Verfahrensbeispiel: Ethylenrückgewinnung                                        230
11.2.6     Abtrennung von Helium von Tauchatmungsgasen                                     231
11.2.6.1   Darstellung der Verfahren                                                       231
11.2.6.2   Verfahrensbeispiel: BF-He-Verfahren                                             232
11.2.7     Kohlenmonoxid- (Wasserstoff-) Abtrennung aus verschiedenen Gasen                232
11.2.7.1   Darstellung der Verfahren                                                       232
11.2.7.2   Verfahrensbeispiel: Kohlenmonoxid-Abtrennung aus Hochofengas                    233
11.3       Technische Anwendung der Adsorptionsverfahren zur Gasreinigung                  233
11.3.1     Verfahren zur Entschwefelung von Abgasen                                        234
11.3.1.1   Darstellung der Verfahren                                                       234
11.3.1.2   Verfahrensbeispiele                                                             237
11.3.2     Verfahren zur Simultanabscheidung von Schwefeldioxid und Stickoxiden            240
11.3.2.1   Darstellung der Verfahren                                                       240
11.3.2.2   Verfahrensbeispiele                                                             242
11.3.3     Verfahren zur Lösungsmittel-Rückgewinnung                                       244
11.3.3.1   Darstellung der Verfahren                                                       244
11.3.3.2   Verfahrensbeispiele                                                             245
11.3.4     Verfahren zur adsorptiven Abtrennung von Geruchsstoffen oder organischen
           Substanzgemischen                                                               247
11.3.4.1   Darstellung der Verfahren                                                       247
11.3.4.2   Verfahrensbeispiel: Adsox-Verfahren zur Entfernung von Geruchsstoffen und
           anderen organischen Substanzen aus der Abluft                                   248
11.3.5     Verfahren zur Reinigung der Abluft von Viskosebetrieben                         249
11.3.5.1   Darstellung der Verfahren                                                       249
11.3.5.2   Verfahrensbeispiel: Sulfosorbon-Verfahren zur Reinigung von Viskoseabluft       251
11.3.6     Verfahren zur Entfernung gasförmiger, radioaktiver Komponenten aus Abgasen
           von Kernkraftwerken und Wiederaufbereitungsanlagen                              252
11.3.6.1   Darstellung der Verfahren                                                       252
XII        Inhalt

11.3.6.2      Verfahrensbeispiel: Verfahren zur Reinigung von Abgasen aus
              Wiederaufbereitungsanlagen                                           254
11.3.7        Verfahren zur Reinigung von Abgasen unterschiedlicher Abgasquellen   255
11.4          Technische Anwendung der Adsorptionsverfahren zur Gastrocknung       256
11.4.1        Darstellung der Verfahren                                            256
11.4.2        Verfahrensbeispiele                                                  259
11.4.2.1      Erdgastrocknungsanlage mit Kreislaufregeneratoren                    259
11.4.2.2      Heatless-Dryer-Prinzip                                               260
11.5          Sonderverfahren                                                      261
11.5.1        Zyklische Zonenadsorption — parametrisches Pumpen                     261
11.5.2        „Simulierte" Gegenstromverfahren                                     261
11.5.3        Wärmespeicherung und -rückgewinnung, Klimatisierung der Raumluft     263
11.6          Zusammenfassende Bemerkungen zu den Adsorptionsverfahren             264
              Literatur                                                            265

              Sachregister                                                         275