DE1301804B - Verfahren zum Regenerieren von zeolithischen Molekularsieb-Adsorptionsmitteln - Google Patents
Verfahren zum Regenerieren von zeolithischen Molekularsieb-AdsorptionsmittelnInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren von zeolithischen Molekularsieb-Adsorptionsmitteln
mit einheitlichem Porendurchmesser für die Trennung von Kohlenwasserstoffen.
Es ist ein Verfahren bekannt, bei welchem man ein im dampfförmigen Zustand befindliches Lösungsmittel
an einem Adsorptionsmittel adsorbiert, um es von anderen Produkten zu trennen. Zur Wiedergewinnung
dieses Lösungsmittels wird das Adsorptionsbett dadurch regeneriert, daß man das Bett ίο
oberhalb der Siedetemperatur des Lösungsmittels bei atmosphärischem Druck erhitzt. Das auf diese
Weise verdampfte Lösungsmittel wird dann in Kühlaggregaten kondensiert und so in reiner Form gewonnen.
Demgegenüber dient das erfindungsgemäße Verfahren nicht einer solchen einfachen Desorption,
sondern der Regenerierung eines zeolithischen Molekularsieb-Adsorptionsmittels, das nach einer Reihe
von Adsorptions-Desorptionsvorgängen in seinem ao Adsorptionsvermögen erschöpft ist. Das erschöpfte
Molekularsieb wird dabei zunächst durch Spülen oder Ausdämpfen von den desorbierbaren Kohlenwasserstoffen
befreit und hierauf in Gegenwart eines sauerstoffhaltigen Gases zur Verbrennung der nicht as
desorbierbaren kohlenstoffhaltigen Abscheidungen auf
Verbrennungstemperaturen von 260 bis 650° C erhitzt. Zweckmäßigerweise bringt man dabei das Molekularsieb-Adsorptionsmittel
zur Regenerierung anfänglich mit einem Gas in Berührung, das 0,2 bis 10 °/0 Sauerstoff
enthält. Vorzugsweise unterwirft man das Molekularsieb-Adsorptionsmittel einer dreistufigen regenerierenden
Behandlung, wobei es in der ersten Stufe bei erhöhten Temperaturen mit einem inerten
Gas ausgespült, in der zweiten Stufe mit einem 0,2 bis 10°/0 Sauerstoff enthaltenden Gas und in der
dritten Stufe mit Luft behandelt wird. Das zur Regenerierung verwendete Gas soll zweckmäßigerweise
0,75 % Sauerstoff enthalten.
Nach bekannten Verfahren erfolgt die Regenerierung von zeolithischen Molekularsieb-Adsorptionsmitteln
für die Trennung von Kohlenwasserstoffen z. B. dadurch, daß man das Molekularsieb auf eine
Temperatur im Bereich von 343 bis 455° C erhitzt und Vakuum anlegt. Die Erhitzung kann dadurch
erfolgen, daß man ein heißes Gas, wie Wasserstoff oder Stickstoff, durch das Molekularsieb leitet. Ein
anderes Verfahren besteht darin, daß man einen erhitzten Strom des Desorbates oder des von n-Paraffinen
befreiten Durchlaufs von einer vorhergehenden Desorptions- oder Adsorptionsperiode für den gleichen
Zweck verwendet.
Es hat sich nun herausgestellt, daß man eine weitergehende Regenerierung erzielt, wenn man das
Molekularsieb abbrennt. Bei diesem Verfahren, durch welches alle desorbierbaren Kohlenwasserstoffe entfernt
werden, wird die Temperatur der Molekularsiebschicht oder eines Teiles derselben auf 260 bis
6500C gesteigert, dabei wird ein sauerstoff haltiges
Gas durch das Bett geleitet. Man kann bei höheren Temperaturen von 593 bis 6500C arbeiten. Im allgemeinen
sollen jedoch Temperaturen über 538° C in Anbetracht der Gefahr der Schädigung des Molekularsiebes
vermieden werden. Die Temperatursteigerung kann zweckmäßig vorgenommen werden, indem man durch das Molekularsieb zunächst ein
heißes Spülgas, wie Rauchgas oder Stickstoff, hindurchleitet. Sobald die gewünschte Temperatur erreicht
ist, wird der Spülgasstrom unterbrochen und das Regeneriergas eingeführt. Es kann auch das sauerstoff
haltige Gas bis auf 5380C vorerhitzt werden. Jedenfalls muß die Temperatur sorgfältig gesteuert
werden, um eine Erhitzung des Molekularsiebes auf mehr als etwa 5380C für eine nennenswerte Zeitdauer
zu vermeiden.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Entfernung aller desorbierbaren Kohlenwasserstoffe vor
der Einführung des Sauerstoffs. Diese kritische Verfahrensstufe ist notwendig, um die Erzeugung von
Wasserdampf von hoher Temperatur in dem Molekularsieb nach Möglichkeit einzuschränken, da diese
zu einer Oxydation von Kohlenwasserstoffen führt. In dieser Hinsicht unterscheidet sich die Oxydation
der nicht desorbierbaren, in dem Molekularsieb verbleibenden Kohlenwasserstoffe von der üblichen
Reaktivierung von Katalysatoren, wie Spaltkatalysatoren, bei denen die kohlenstoffhaltigen Ablagerungen
fast vollständig aus Koks bestehen und der Prozentgehalt an Wasserstoff sehr niedrig ist.
Am Ende der der oxydierenden Behandlung vorhergehenden Periode enthält das Molekularsieb entweder
ein Desorptionsgas, wie Propylen und geringe Mengen η-Paraffine oder nur η-Paraffine, wenn man
die Desorption zwischen den Perioden durch Vakuum ausführt. Daher müssen sich die jeweiligen Mittel
zur Entfernung der desorbierbaren Kohlenwasserstoffe von dem Molekularsieb vor der Oxydation
gewöhnlich nach der Art der periodischen Arbeitsweise richten. Man kann daher verschiedene Kombinationen
von Ausspülen, Evakuieren und Ausdämpfen bei niedriger Temperatur anwenden. Zu
den bevorzugten Methoden gehören erstens das Ausdämpfen bei Temperaturen unterhalb etwa 315 bis
3700C und zweitens das Ausspülen mit einem inerten Gas, wie Stickstoff, Methan usw., während das
Molekularsieb zur Vorbereitung auf die Oxydationsstufe auf eine höhere Temperatur erhitzt wird. Wie
bereits erwähnt, können diese Gase vorerhitzt und zur Temperatursteigerung des Molekularsiebes verwendet
werden. Das Ausdämpfen bei niedriger Temperatur ist eine der bevorzugten Methoden zur
Entfernung olefinischer Desorptionsgase, wie Propylen, da die Entfernung dieser Olefine bei Temperaturen
unterhalb derjenigen, bei denen Polymerisation stattfindet, praktisch vollständig ist. Hierdurch
werden die Abscheidungen auf dem Molekularsieb und mithin das erforderliche Ausmaß des Abbrennens
bei der nachfolgenden Oxydation, die Menge an Dampf von hoher Temperatur usw. verringert.
Die Widerstandsfähigkeit von Molekularsieben von 5 Ä Porendurchmesser gegen Zersetzung bei hohen
Temperaturen ergibt sich aus den nachfolgenden Werten, die bei Kalzinierungstemperaturen von 455
bis 815° C in einer trockenen Atmosphäre erhalten wurden.
Zeit | Adsorptionsvermögen | Druck | |
Stunden | für n-Heptan, | 10 mm Hg | |
Kalzinierungsbedingungen | 0 | cm3/g | 0,16 |
16 | Druck ; | 0,16 | |
Temperatur | 168 | 500 mm Hg | 0,16 |
0C | 16 | 0,23 | 0,16 |
455 | 0,23 | ||
455 | 0,23 | ||
510 | 0,23 ; | ||
538 | |||
Ein Molekularsieb von 5 Ä Porendurchmesser scheint bei 5000C in Abwesenheit von Feuchtigkeit
unbegrenzt haltbar und bei 7050C über eine verhältnismäßig
lange Zeitdauer haltbar zu sein. Bei 7600C wird es langsam und bei 8150C schnell zerstört.
Längeres Ausdämpfen bei 51O0C und höheren Temperaturen
verursacht ein Absinken des Adsorptionsvermögens und der Adsorptionsgeschwindigkeit, obwohl
das Kristallgitter bei der Röntgenanalyse ίο nicht verändert erscheint. Zur Veranschaulichung
werden in der nachstehenden Tabelle Werte für verschiedene Modifikationen von Molekularsieben
mit 5 Ä Porendurchmesser angegeben.
Wasserdampf beständigkeit verschiedener Modifikationen von Molekularsieben mit 5 Ä Porendurchmesser
bei 510° C und 1 at Wasserdampfdruck
Zeit | der Tabelle | Druck | Druck | |
Stunden | 500 mm Hg | 10 mm Hg | ||
Fortsetzung | 1 | Adsorptionsvermögen | 0,21 | 0,16 |
1 | für n-Heptan, | 0,21 | 0,15 | |
Kalzinierungsbedingungen | 5 | cm;l/g | 0,21 | 0,15 |
1 | 0,22 | 0,16 | ||
Temperatur | 1 | 0,21 | 0,14 | |
0C | 4 | 0,18 | 0,13 | |
649 | 4 | 0 | 0 | |
705 | ||||
705 | ||||
732 | ||||
760 | ||||
760 | ||||
815 | ||||
Metallform des Molekularsiebes
Zeit
Stunden
Stunden
Adsorption von n-Heptan
Adsorptionsvermögen i Relative
Adsorptionsvermögen i Relative
cm3/g ! Geschwindigkeit
Röntgenanalyse
Calcium .
Calcium .
Zink ....
Zink ....
Cadmium
Cadmium
Calcium .
Zink ....
Zink ....
Cadmium
Cadmium
0
113
113
0
162
162
0
103
103
0,19
0,19
0,16
0,13
0,18
0,14
0,19
0,16
0,13
0,18
0,14
18
1
1
3
1
5
1
5
5 Ä Kristallgitter,
keine Änderung
5 Ä Kristallgitter,
keine Änderung
5 Ä Kristallgitter,
keine Änderung
keine Änderung
5 Ä Kristallgitter,
keine Änderung
5 Ä Kristallgitter,
keine Änderung
Durch Wasserdampf entaktivierte 5-Ä-Molekularsiebe
können in einigen Fällen durch Ausdämpfen bei niedriger Temperatur, wie es vorstehend für die
Kohlenwasserstoff-Desorptionsstufe beschrieben wurde, wieder auf ihre ursprüngliche Adsorptionsgeschwindigkeit gebracht werden. Verluste an Adsorptionsvermögen
sind jedoch gewöhnlich von dauerhafterer Natur und müssen daher vermieden werden.
Nach der Entfernung der desorbierbaren Kohlenwasserstoffe wird ein sauerstoffhaltiges Gas in das
Molekularsieb unter solchen Bedingungen eingeleitet, daß die nicht desorbierbaren Restkohlenwasserstoffe
oder Rückstände teilweise oder mehr oder weniger vollständig oxydiert werden. Die in dem Molekularsieb
zwecks Aufrechterhaltung der Verbrennung innezuhaltenden Temperaturen bewegen sich zwischen
etwa 260 und 65O0C und liegen vorzugsweise unterhalb etwa 538° C. Der Sauerstoffgehalt des Gases
braucht nur 1 bis 2% oder weniger zu betragen.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Durchführung der Oxydation in Molekularsieben in Ruheschüttung
besteht im Abbrennen in Form einer Wellenfront, derart, daß die Temperatur nicht in der ganzen
Molekularsiebmasse ansteigt. Bei diesem Verfahren wird die Anfangstemperatur des Molekularsiebes und
des sauerstoffhaltigen Gases so gewählt, daß am Gaseintrittsende eine Verbrennungsfront entsteht. Die
Anfangstemperatur am Eintrittsende des Gefäßes soll nur etwa 315 bis 482° C betragen. Die Verbrennungsprodukte,
inertes Gas, Wasserdampf und desorbierte, teilweise oxydierte Kohlenwasserstoffe, werden
vor der Verbrennungsfront in Teile des Molekularsiebes vorangetrieben, die sich auf niedrigeren Temperaturen
befinden, bei denen der Wasserdampf keinen Schaden anrichtet. Die Verbrennungsfront
kann erzeugt werden
1. durch Vorerhitzen des sauerstoffhaltigen Gases,
2. durch Anwendung von Oxydationsbeschleunigern in dem Gas, wie Oxyden des Stickstoffs, und
3. durch Oxydationsbeschleuniger in dem Molekularsieb, wie Cu, Mn, Cr, Fe usw., die durch
Tränken, durch Ionenaustausch oder auf andere Weise in das Molekularsieb eingeführt werden.
Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ergibt sich bei Verwendung eines trockenen, sauerstoffhaltigen
Gases, wodurch das reine Molekularsieb hinter der Verbrennungsfront in der kurzen Zeitspanne, in der
es sich auf höherer Temperatur befindet, gleichzeitig getrocknet wird.
Nach einem besonders günstigen Verfahren führt man die Verbrennung in drei Phasen aus, um die
Temperaturen des Molekularsiebes zu steuern. In der ersten Phase wird das Molekularsieb mit inertem Gas
bei hoher Temperatur gespült. In der zweiten Phase wird dem inerten Spülgas Sauerstoff in niedrigen
Konzentrationen beigemischt, und in der dritten Phase wird vorerhitzte Luft über das Molekularsieb
geleitet. Die Verbrennung kann unter den folgenden Bedingungen stattfinden:
erste ! bevorzugt
Phase
zweite j bevorzugt
zweite j bevorzugt
dritte 1 bevorzugt
Gastemperatur, 0C
Molekularsiebtemperatur, ° C
O2-Konzentration im eintretenden Gas, °/o
Oa-Geschwindigkeit, Vol/Vol/Std
Inertgasgeschwindigkeit, Vol/Vol/Std
Zeit, Stunden
260 bis 260 bis
300 bis 0,5 bis 370
370
370
400
2
2
260 bis 538
260 bis 538
0,2 bis 10
10 bis 100
300 bis 900
0,2 bis 3 !
260 bis 538
0,2 bis 10
10 bis 100
300 bis 900
0,2 bis 3 !
370
370
0,75
50
600
1
370
0,75
50
600
1
260 bis 538
260 bis 538
260 bis 538
21
100 bis 300
100 bis 300
1,0 bis 10
482
482
200
Die kritischste Veränderliche ist die Sauerstoffkonzentration im eintretenden Gas während der
zweiten Phase der Regenerierung. Es wurde gefunden, daß eine Sauerstoffkonzentration von 0,75 °/0 den
Anstieg der Temperatur des Molekularsiebes auf etwa 83 0C begrenzt (beginnend bei 399° C mit einem
Maximum bei 482° C).
Bei einem periodischen Arbeitsvorgang der oben beschriebenen Art in der Dampfphase wurde n-Heptan
aus einem Gemisch von 80°/0 Toluol und 20% n-Heptan an einem Metall-Aluminosilicat mit einem
Porendurchmesser von 5Ä bei 1160C adsorbiert
und dann bei der gleichen Temperatur mit Propylen desorbiert. Als das Molekularsieb noch frisch war,
desorbierte das Propylen 87% des adsorbierten n-Heptans. Nach 14 Arbeitszyklen war das Adsorptionsvermögen
des Zeolithes auf etwa 75 % gesunken. Der Zeolith wurde dann in einem Luftstrom 2 Stunden
auf 455° C erhitzt. Hierbei erfolgte eine vollständige Reaktivierung.
Ein aus einer Versuchsanlage, in der n-Paraffine aus einem Destillatbenzin abgetrennt wurden, stammendes
kristallines Calcium-Natriumalumino-Silicat mit einem Porendurchmesser von 5 Ä wurde durch
Abbrennen in einem Luftstrom regeneriert, worauf
ίο das Adsorptionsvermögen für η-Hexan bestimmt
wurde. Die Verbrennung wurde bei einer Luftgeschwindigkeit von 1,4 l/Min, (entsprechend 0,3 g
Sauerstoff) durchgeführt. In der nachstehenden Tabelle sind zu Vergleichszwecken auch die Ergebnisse
angegeben, die durch Regenerieren erstens mit Hilfe eines Vakuums und zweitens mit Hilfe von Wasserdampf
bei 121°C erhalten wurden. Wasserdampf von hoher Temperatur kann nicht verwendet werden,
da er die Molekularsiebstruktur zerstört.
Adsorptionsvermögen g/100 g Gewichtsprozent
Kohlenstoff
Kohlenstoff
Spezifische
Oberfläche
Oberfläche
m2/g
Porenvolumen cm3/g
Frisches Molekularsieb
Gebraucht, desorbiert
bei 371°C und 4mmHg
Gebraucht, desorbiert
bei 455°C und 1 mm Hg
Gebraucht, desorbiert
bei 538°C und 1 mm Hg
Gebraucht, abgebrannt
bei 455°C in Luft
Gebraucht, abgebrannt
bei538°CinLuft
Gebraucht, ausgedämpft bei 121° C
10,1 8,1 8,6 8,6
10,0
10,2 7,3 0,00
2,3
2,0
1,3
0,2
0,1
1,3
1,3
497
408
408
434
471
467
471
467
0,25 0,19
0,22 0,22 0,23
Diese Werte beweisen die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Regenerierverfahrens. Durch Abbrennen
des Kohlenstoffs in einem Luftstrom wird das Molekularsieb vollständig regeneriert, während die
Anwendung von Vakuum bei hohen Temperaturen keine so große Verbesserung ergibt und das Ausdämpfen
sogar das Adsorptionsvermögen verringert. Es wurde weiter gefunden, daß außer dem oben
beschriebenen, verhältnismäßig langsamen Absinken des Adsorptionsvermögens auch noch ein viel schnelleres
Absinken der Periodenkapazität stattfindet, welches in erster Linie mit der Verwendung von
Propylen als Desorptionsmittel in Zusammenhang steht. Diese Kapazitätsverluste können jedoch, obwohl
sie durch Abscheidungen auf den Molekularsieben verursacht sind, durch Vakuumregenerierung bei
etwa 370° C zufriedenstellend beseitigt werden. Diese Art von Regenerierung kann etwa alle 200 Perioden
je nach den angewandten Arbeitsbedingungen vorgenommen werden. Die oxydierende Regenerierung
wird in zufriedenstellender Weise in Verbindung mit der Vakuumregenerierung durchgeführt. Das heißt,
diejenigen Verunreinigungen, die sich an oder auf dem Molekularsieb ansammeln und sich durch Anwendung
eines Vakuums nicht in ausreichendem Maße entfernen lassen, werden dann durch die
periodische oxydierende Regenerierung entfernt. Auf diese Weise lassen sich nicht nur die Zeolithe
mit Porengrößen von 5 Ä regenerieren, sondern das gleiche oder ein ähnliches Verfahren kann auch auf
Zeolithe mit kleineren oder größeren gleichmäßigen Poren von 3 bis 15 Ä angewandt werden. Die Zeo-
lithe mit Porengrößen von 10 und 13 Ä besitzen die Fähigkeit, isomere verzweigtkettige und cyclische
Kohlenwasserstoffe voneinander zu trennen, besitzen katalytische Eigenschaften und neigen auch zur Entaktivierung.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das verbrauchte Molekularsieb aus der
Adsorptionskammer entfernt und mit Hilfe eines wandernden Siebes od. dgl. über eine Brennerzone
hinweggeführt werden.
Man kann sich auch des katalytischen Spaltvermögens der Molekularsiebe zu ihrer Regenerierung
bedienen. Dies ist besonders wertvoll, wenn nicht zu viel Kohlenstoff als solcher auf dem Zeolith abgeschieden
ist. Unter diesen Bedingungen bringt man das verbrauchte Molekularsieb auf eine Temperatur
von etwa 288 bis 482° C, und zwar bei Atmosphärendruck oder bei Unterdruck. Dann setzt man als
Beschleuniger für die Spaltung eine geringe Menge Sauerstoff oder eines anderen Beschleunigers zu und
führt eine geringe Menge Wasserdampf zur Unterdrückung der Kohlenstoffbildung ein. Hierauf kann
der restliche Kohlenstoff in der oben beschriebenen Weise entfernt werden.
Claims (4)
1. Verfahren zum Regenerieren von zeolithischen Molekularsieb-Adsorptionsmitteln mit einheitlichem
Porendurchmesser für die Trennung von Kohlenwasserstoffen, dadurch gekennzeichnet,
daß das nach einer Anzahl von Adsorptions-Desorptionsperioden in seinem Adsorptionsvermögen
erschöpfte Molekularsieb zunächst durch Spülen oder Ausdämpfen von den desorbierbaren Kohlenwasserstoffen befreit und
hierauf in Gegenwart eines sauerstoffhaltigen Gases zur Verbrennung der nicht desorbierbaren
kohlenstoffhaltigen Abscheidungen auf Verbrennungstemperaturen von 260 bis 6500C erhitzt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Molekularsieb-Adsorptionsmittel
zur Regenerierung anfänglich mit einem Gas in Berührung bringt, das 0,2 bis 10 % Sauerstoff
enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Molekularsieb-Adsorptionsmittel
einer dreistufigen regenerierenden Behandlung unterwirft, wobei es in der ersten
Stufe bei erhöhten Temperaturen mit einem inerten Gas ausgespült, in der zweiten Stufe mit
einem 0,2 bis 10% Sauerstoff enthaltenden Gas und in der dritten Stufe mit Luft behandelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Regenerierung verwendete
Gas etwa 0,75 °/o Sauerstoff enthält.
909 535/156
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