DE19708085A1 - Zeolitisches Molekularsieb, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung - Google Patents
Zeolitisches Molekularsieb, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen VerwendungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein zeolithisches Molekularsieb, ein
Verfahren zu des sen Herstellung und dessen Verwendung zur
Abtrennung von Komponenten aus Gasen.
Es ist bekannt, daß zur Reinigung von Gasen, wie z. B. der
Entschwefelung von Erdgas, in sogenannten Trockenverfahren
zeolithische Molekularsiebe eingesetzt werden. Diese trennen die
Gaskomponenten nach der Molekülgröße, adsorptiven Wechselwir
kungsenergie oder Diffusionsgeschwindigkeit der Moleküle im
Mikroporensystem. Aufgrund der im Vergleich zu Absorptionsver
fahren deutlich geringeren Kapazität werden Molekularsiebe
speziell für die Aufbereitung von Gasen mit geringen Gehalten an
Verunreinigungen, sogenannten Lean-Gasen, eingesetzt.
Bei der Entschwefelung von Lean-Gasen, die neben Schwefelwasser
stoff auch größere Mengen Kohlendioxid enthalten, wird Schwefel
wasserstoff in Gegenwart von Kohlendioxid gemäß der Reaktion H2S
+ CO2 ↔ COS + H2O in Kohlenoxidsulfid (COS) und Wasser umgewan
delt. Triebkraft der Reaktion, die als reine Gasphasenreaktion
mit einer Gleichgewichtskonstante von K = 6,7×10-6 bei 298°K
auf der Seite der Edukte liegt, ist die hohe Affinität des
Reaktionswassers zum Molekularsieb. Während das Wasser selektiv
adsorbiert wird, verläßt das gebildete Kohlenoxidsulfid mit dem
Reingas die Aufbereitungsanlage. Anders als Schwefelwasserstoff
verursacht Kohlenoxidsulfid in Abwesenheit von Wasser keine
Spannungsrißkorrosion, es wirkt aber in gleicher Weise wie
Schwefelwasserstoff toxisch und ist deshalb aus Reingasen im
allgemeinen abzutrennen.
Die COS-Bildung wird von Alkaliionen, z. B. Natriumionen, stark
beschleunigt. Folgerichtig wurden für die Entschwefelung CO2
haltiger Erdgase natriumarme Zeolithe, z. B. hoch ausgetauschte
Calcium(CaNa)A-Zeolithe, empfohlen. Ein vollständig ausgetausch
ter CaA-Zeolith sollte danach COS-inert sein (D.M. Ruthen:
Principles of Adsorption and Adsorption Processes. John Wiley &
Sons, New York, 1984, S. 360). Es hat sich jedoch gezeigt, daß
bei einer ökonomischen Fahrweise der Adsorptionsanlagen, d. h. bei
der Realisierung langer Sorptionsphasen, auch an CaA-Zeolithen
in hohem Maße COS gebildet wird. Wenngleich im CaNaA-Molekular
sieb der katalytische Effekt vernachlässigt werden kann, so wird
über die selektive Adsorption des Reaktionswassers die Gleichge
wichtslage der Reaktion stetig auf die Seite der Produkte
verschoben. Mit steigendem CO2/H2S-Gradienten erhöht sich dabei
der Effekt.
Die Verwendung mit Schwermetallionen beladener Zeolithe gemäß der
DD-A-2 41 196 und 2 41 202 vermindert zunächst tatsächlich die COS-
Bildung. Wegen der irreversiblen Bildung von Schwermetallsulfiden
verlieren die Molekularsiebe aber schnell an Selektivität und
sogar chemischer Stabilität. Zudem fallen mit den verbrauchten
Zeolithen umweltbelastende Produkte an.
Zur Verschiebung der Gleichgewichtslage der Reaktion auf die
Seite der Edukte wurde die Vorbeladung des Molekuarsiebes mit
Wasser vorgeschlagen (M.R. Cines, D.M. Haskell und C.G. Houser:
Chemical Engineering Progress 72 (1972), 8, 89). Diese Variante
der COS-Minimierung verkürzt erheblich die Durchbruchzeiten des
Schwefelwasserstoffs, da die Selektivität des Molekularsiebs
gegenüber H2S wegen der Konkurrenzadsorption des H2O erheblich
vermindert wird. Es ist darüber hinaus auch die homogene
Verteilung des Wassers über die gesamte Molekularsiebschüttung
zu bezweifeln.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, neue zeoli
thische Molekularsiebe bereitzustellen, die für Reinigungsver
fahren geeignet sind und die Bildung unerwünschter Komponenten
verhindern, insbesondere die COS-Bildung bei Gasentschwefelungen
wie der Erdgasentschwefelung.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein zeolithisches Molekularsieb
vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß seine
Hohlräume teilblockiert sind.
Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines zeolithischen Molekularsiebs mit teilblockierten Hohlräu
men, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man Natriumsilikat mit
Natriumaluminat in wäßrigem Medium bei einem Verhältnis von Si:Al
im Bereich von 0,5 bis 2,0 in Gegenwart von 5 bis 10 Gew.-%
Alkali- und/oder Erdalkalisalzen, die ein- oder zweiwertige
Anionen aufweisen, umsetzt und bei 60 bis 90°C in an sich
bekannter Weise in einem polykristallinen, teilblockierten
Zeolith überführt.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem die Verwendung des
erfindungsgemäßen zeolithischen Molekularsiebs zur Abtrennung von
Komponenten aus Gasen, insbesondere zur Reinigung von Gasen
(speziell Lean-Gasen).
Überraschenderweise läßt sich die COS-Bildung durch den Einbau
von blockierenden Stoffen in die Hohlräume des Zeoliths unter
drücken, ohne daß Beeinträchtigungen für den Sorptionsprozeß
auftreten. Dabei betrifft die erfindungsgemäße Teilblockierung
der Hohlräume des Zeoliths im wesentlichen die kleinen Hohlräume
des Zeoliths, die sogenannten Sodalith- oder β-Käfige. Von den
an der COS-Bildung beteiligten Partnern können aus sterischen
Gründen nur die Wassermoleküle in die β-Käfige des Zeoliths
hineindiffundieren. Je nach Art der im Zeolith vorhandenen
Kationen finden in einem β-Käfig zwei bis vier Wassermoleküle
Platz. Für das Wassermolekül ist der Aufenthalt im β-Käfig
energetisch sehr begünstigt, weshalb es für die Rückreaktion
nicht mehr zur Verfügung steht. Da die β-Käfige aber erfindungs
gemäß blockiert sind, befinden sich sowohl COS als auch H2O in
den α-Käfigen, wo sie aufgrund der Gleichgewichtskonstante von
K = 6,7×10-6 (298°K) unmittelbar nach ihrer Bildung wieder in
die Edukte H2S und CO2 übergehen.
Bei den für die erfindungsgemäße Teilblockierung geeigneten
Zeolithen handelt es sich um synthetische Zeolithe. Bevorzugt
sind neben Zeolithen des Typs X und Y solche vom Typ A, ins
besondere Zeolith 4A und Zeolith 5A. Vorzugsweise sind diese
Zeolithe ionenausgetauscht. Als besonders geeignet hat sich ein
durch Ionenaustausch von Zeolith 4A mit Ca-Ionen hergestellter
Zeolith 5A erwiesen.
Für die Teilblockierung des zeolithischen Molekularsiebs eignen
sich alle Materialien, ausgenommen Wasser, die in der Lage sind,
sich in die β-Käfige des Zeoliths einzulagern, und den Sorptions
prozeß nicht oder nur geringfügig beeinträchtigen. Besonders
geeignet sind Alkali- und/oder Erdalkalisalze mit ein- oder
zweiwertigen Anionen. Bevorzugt sind Alkalisalze, insbesondere
Natriumsalze. Die Anionen für die Alkali- und/oder Erdalkalisalze
sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nitrat,
Nitrit, Chlorid, Bromid, Iodid, Chlorat, Bromat, Iodat, Rhodanid,
Cyanid, Carbonat, Sulfat und Aluminat. Es können aber selbstver
ständlich auch Gemische dieser Anionen vorliegen. Besonders
bevorzugt sind Nitrit, Rhodanit und Aluminat.
Bei der Auswahl dieser Salze ist deren Laugen- und Temperaturbe
ständigkeit wegen der Bedingungen der Synthese und Calcinierung
zu beachten. Die Laugenbeständigkeit der Salze muß in dem Maße
gegeben sein, daß sich die Salze bei der Synthese der Zeolithe
nicht zersetzen. Die Temperaturbeständigkeit soll vorteilhafter
Weise mindestens 250°C, vorzugsweise 400°C und insbesondere 500°C
betragen, d. h. es darf bei diesen Temperaturen keine wesentliche
Zersetzung der Salze erfolgen.
Um eine ausreichende Teilblockierung der Hohlräume des zeoli
thischen Molekularsiebs zu erreichen, sollte der Gehalt an zur
Teilblockierung eingelagertem Alkali- und/oder Erdalkalisalz
mindestens 1 Gew.-%, maximal 10 Gew.-% und vorzugsweise 1 bis 8
Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des beladenen Molekular
siebs im Trockenzustand, betragen. Besonders bevorzugt sind
Mengen an eingelagerten Salzen von 1,5 bis 4,0 Gew.-%. Diese
Mengen reichen im allgemeinen aus, um die erfindungsgemäß
angestrebte Blockierung von 50 bis 100% der β-Käfige zu errei
chen.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen zeolithischen Molekular
siebs kann auf verschiedene Weise erfolgen. Eine wirksame
Teilblockierung der Hohlräume des Molekularsiebs erfolgt mit dem
Einbau von Salzen bereits während oder nach der Synthese des
Zeoliths. Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren zur
Herstellung von zeolithischen Molekularsieben mit teilblockierten
Hohlräumen besteht darin, daß man Natriumsilikat mit Natriumalu
minat im wäßrigen Medium bei einem Verhältnis Si:Al im Bereich
von 0,5 bis 2,0 in Gegenwart von 5 bis 10 Gew.-% Alkali- und/oder
Erdalkalisalzen, die ein- oder zweiwertige Anionen aufweisen,
umsetzt und bei 60 bis 90°C in an sich bekannter Weise in einen
polykristallinen, teilblockierten Zeolith überführt. Dabei
bezieht sich die Menge der zu verwendenden Alkali- und/oder
Erdalkalizsalze auf das Gewicht der Synthesemischung.
Bei Einsatz der Aluminiumkomponente im Überschuß kann auf
direktem Wege ein mit Aluminat teilblockiertes zeolithisches
Molekularsieb erhalten werden.
Eine mögliche nachträgliche Teilblockierung kann durch Beladung
mit den entsprechenden Salzen aus der Salzschmelze erfolgen.
In der Praxis werden die erfindungsgemäßen zeolithischen
Molekularsiebe meistens zusammen mit einem Bindemittel einge
setzt. Dazu werden sie in bekannter Weise mit geeigneten
Bindemittelmengen vermischt und zu geeigneten Formkörpern
(beispielsweise Granulat) verarbeitet. Geeignete inerte Binde
mittel gehören zum Stand der Technik und sind beispielsweise
Montmorillonit, Attapulgit und Kaolinit.
Die erfindungsgemäßen zeolithischen Molekularsiebe mit teil
blockierten Hohlräumen eignen sich zur Reinigung von Gasen,
insbesondere zur Erdgasentschwefelung, da ihre Verwendung die
COS-Bildung minimiert. Eine weitere bevorzugte Verwendung ist die
Abtrennung von Methanol aus Gasen, z. B. aus dem beim Rectisol-
Verfahren anfallenden CO2 (zur Verhinderung der Dimethyletherbil
dung).
Ein handelsüblicher Zeolith NaA (4A) wurde nach zehnstündiger
Aktivierung bei 400°C in einem Vakuum kleiner als 0,133 Pa (10-3
Torr) mit einem Gemisch von 80% Kohlendioxid und 20% Schwefelwas
serstoff beladen. Die Beladung betrug 5 Mol Gemisch je 1 kg
Zeolith. Nach fünfstündiger Kontaktzeit des Gemisches auf dem
Zeolith waren 78% des Schwefelwasserstoffes in Kohlenoxidsulfid
(COS) umgewandelt. Da nach 100 Stunden dieselbe Menge gefunden
wurde, entsprechen die 78% dem Gleichgewichtswert der COS-Bildung
unter diesen spezifischen Versuchsbedingungen.
Nach vollständigem Austausch der Natriumionen gegen Calciumionen
betrug die COS-Bildung an dem nunmehr katalytisch wenig aktiven
CaA-Zeolith (5A) nach fünf Stunden Kontaktzeit nur noch 16 Vol-%.
Nach 100 Stunden waren aber bereits 72% des Schwefelwasserstoffes
in COS umgewandelt.
Ein kommerzieller NaX-Zeolith zeigt eine COS-Bildung von 65% nach
5 Stunden und 76% nach 100 Stunden.
Ein zylindrisches Gefäß aus Polytetrafluorethylen wurde zur
Hälfte mit einem Gemisch befüllt, das aus 7 Gewichtsteilen einer
0,5 molaren Natriumsilikat-Lösung bestand. Hierzu wurde die
gleiche Menge einer Lösung hinzugefügt, die aus 7 Gewichtsteilen
einer 1,4 molaren Natriumaluminat-Lösung und 0,07 Mol Natriumni
trit zusammengesetzt war.
Das Gemisch wurde im verschlossenen Gefäß bei 80°C in polykri
stallinen Zeolith NaA (4A) überführt. Das Nitrit beladene
Material wurde mit Wasser gewaschen und bei 400°C calciniert. Es
enthielt 3 Gew.-% Natriumnitrit.
Nach fünfstündiger Kontaktzeit mit dem im Vergleichsbeispiel 1
beschriebenen Gemisch Kohlendioxid/Schwefelwasserstoff konnte
eine COS-Bildung von 2,5 Vol.-% analysiert werden. Nach 100
Stunden betrug die COS-Bildung 7 Vol.-%.
7 Gewichtsteile einer 0,5 molaren Natriumsilikat-Lösung und 1
Gewichtsteil Triethanolamin wurden mit einem Gemisch aus 7
Gewichtsteilen einer 1,4 molaren Natriumaluminat-Lösung, 1
Gewichtsteil Triethanolamin und 0,07 Mol Natriumrhodanid vermengt
und kurzzeitig gerührt. Das erhaltene Gel wurde bei 80°C in
polykristallinen Zeolith NaA (4A) überführt. Danach wurde wie in
Beispiel 1 verfahren. Der Gehalt an eingelagertem Natriumrhodanid
betrug 1 Gew.-%.
Nach fünfstündiger Kontaktzeit mit dem in Vergleichsbeispiel 1
beschriebenen Gemisch Kohlendioxid/Schwefelwasserstoff betrug die
COS-Bildung 1,5 Vol-% und nach 100 Stunden 5,5 Vol-%.
7 Gewichtsteile einer 0,5 molaren Natriumsilikat-Lösung wurden
mit 7 Gewichtsteilen einer 0,7 molaren Natriumaluminat-Lösung
unter Zusatz von 0,07 Mol Natriumnitrit innig vermischt und bei
80°C in polykristallinen Zeolith NaX überführt. Danach wurde wie
in Beispiel 1 verfahren. Die Beladung mit Natriumnitrit betrug
6 Gew.-%.
Die COS-Bildung betrug 2% nach fünfstündiger Kontaktzeit mit dem
in Vergleichsbeispiel 1 beschriebenen Gemisch Kohlendioxid/-
Schwefelwasserstoff und 4,5% nach 100 Stunden.
Der Vergleich der obigen Beispiele mit dem Vergleichsbeispiel 1
zeigt, daß nach Teilblockierung der Hohlräume des Zeoliths mit
Salzen eine deutlich verringerte, minimierte COS-Bildung zu
beobachten ist.
Claims (17)
1. Zeolithisches Molekularsieb, dadurch gekennzeichnet, daß
seine Hohlräume teilblockiert sind.
2. Molekularsieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
seine Hohlräume durch ein Material, ausgenommen Wasser,
teilblockiert sind, das in der Lage ist, sich in die β-
Käfige des Zeoliths einzulagern.
3. Molekularsieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß 50 bis 100% der β-Käfige blockiert sind.
4. Molekularsieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß seine Hohlräume durch Alkali- und/oder
Erdalkalisalze mit ein- oder zweiwertigen Anionen teil
blockiert sind.
5. Molekularsieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Alkali- und/oder Erdalkalisalze laugenbeständig und bis
250°C, vorzugsweise bis 500°C temperaturbeständig sind.
6. Molekularsieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Alkalisalze Natriumsalze sind.
7. Molekularsieb nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anionen der Alkali- und/oder
Erdalkalisalze ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus
Nitrat, Nitrit, Chlorid, Bromid, Iodid, Chlorat, Bromat,
Iodat, Rhodanid, Cyanid, Carbonat, Sulfat, Aluminat und
Mischungen von zwei oder mehr dieser Anionen.
8. Molekularsieb nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß es bezogen auf das Gesamtgewicht im
Trockenzustand mindestens 1 Gew.-% Alkali- und/oder Erdalka
lisalze enthält.
9. Molekularsieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
es 1 bis 8 Gew.-% Alkali- und/oder Erdalkalisalze enthält.
10. Molekularsieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
es 1,5 bis 4 Gew.-% Alkali- und/oder Erdalkalisalze enthält.
11. Molekularsieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß es ein Zeolith X oder ein Zeolith A,
insbesondere ein Zeolith 4A oder ein Zeolith 5A ist.
12. Molekularsieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
es ein ionenausgetauschter Zeolith A, insbesondere ein
ionenausgetauschter Zeolith 4A oder Zeolith 5A ist.
13. Molekularsieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
es ein durch Ionenaustausch von Zeolith 4A mit Ca-Ionen
hergestellter Zeolith 5A ist.
14. Molekularsieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß es mit einem Bindemittel vermischt ist.
15. Verfahren zur Herstellung eines zeolithischen Molkularsiebs
mit teilblockierten Hohlräumen gemäß einem der Ansprüche 1
bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man Natriumsilikat mit Natriumaluminat in wäßrigem Medium bei einem Verhältnis Si:Al im Bereich von 0,5 bis 2,0 in Gegenwart von 5 bis 10 Gew.-% Alkali- und/oder Erdalkalisalzen, die ein- oder zweiwertige Anionen aufweisen, umsetzt und bei 60 bis 90°C in an sich bekannter Weise in einen polykristallinen, teilblockierten Zeolith überführt.
bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man Natriumsilikat mit Natriumaluminat in wäßrigem Medium bei einem Verhältnis Si:Al im Bereich von 0,5 bis 2,0 in Gegenwart von 5 bis 10 Gew.-% Alkali- und/oder Erdalkalisalzen, die ein- oder zweiwertige Anionen aufweisen, umsetzt und bei 60 bis 90°C in an sich bekannter Weise in einen polykristallinen, teilblockierten Zeolith überführt.
16. Verwendung des zeolithischen Molekularsiebs gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 14 oder hergestellt nach dem Verfahren gemäß
Anspruch 15 zur Abtrennung von Komponenten aus Gasen,
insbesondere zur Reinigung von Gasen.
17. Verwendung nach Anspruch 16 zur Gasentschwefelung, ins
besondere zur Erdgasentschwefelung, oder zur Abtrennung von
Methanol aus Gasen, insbesondere aus CO2.
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