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Adsorptionsverfahren und -vorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf
ein Adsorptionsverfahren, bei dem sich der Ausnutzungsgrad der Vorrichtung und die
Produktivität der Herstellung mit großen wirtschaftlichen Vorteilen erhöhen lassen,
sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Adsorptionsverfahrens. Insbesondere
betrifft die Erfindung ein verbessert-e.s Verfahren für Regenerations-Adsorp tionssysteme.
wie sie zur Entschwefelung von Abgasen beispielsweise eines Dampfkraftwerks oder
dergleichen angewandt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Regenerationsverfahrens.
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Die Erfindung läßt sich bei verschiedenen Adsorptionsverfahren und
-vorrichtungen anwenden; im folgenden wird sie Jedoch haupt--sachlich in Bezug auf
Adsorptionsverfahren und -vorrichtungen erläutert, bei denen die Entschwefelung
von Abgasen unter Vor wendung von Aktivkohle erfolgt.
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Bei einer mit Aktivkohle oder einem ähnlichen Adsorbens arbeiten den
Abgas-Entschwefelungsvorrichtung wird Schwefelsäure dadurch ausgezogen, daß das
Adsorbens, das genügend adsorbierte schwefelige Säure in Gasform enthält, gewaschen
und dabei das Adsorbens regeneriert wird. Um die Beseitigung der Wasch-Äblauge zuner-'
leichtem, ist es zweckmäßig, daß Schwefelsäure mit möglichst hoher Konzentration
erzielt wird. Um hochkonzentrierte Schwefel-Säure zu erhalten, ist bei konventionellen
Verfahren eie
große Anzahl von Wasohbehältern vorgesehen, und der
Waschvorgang wird wiederholt durchgeführt.
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Das Vermögen des Adsorbens, schwefelige Säure in Gasform zu adsorbieren,
ist in der Anfangsstufe genügend groß; im Laufe der Zeit nimmt das Adsorptionsvermögen
jedoch ab, weil die Menge der sich in Form von Schwefelsäure sammelnden adsorbier
ten Substanz zunimmt. Daher ist es aus wirtschaftlichen G-sichtspunkten zweckmäßig,
die Entschwefelungsvorrichtung so zu bauen, daß die absorbierte Menge pro Behalter
klein ist und daß die Zeit für den Adsorptionsvorgang verkürzt wird, um die Adsorption
und Desorption vielmals während einer jeweils kurzen Zeitspanne zu wiederholen.
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Wird das zu behandelnde Gasvolumen erhöht, so erhöht sich auch die
Anzahl der Adsorptionsbetten, und die Zeit für die Adsorption wird länger. Dabei
ist es zweckmäßig, eine große Anzahl von Adsorptionsbetten in mehrere Reihen zu
unterteilen, um Adsorption und Desorption in einem geelgncten Zeitzyklus sowie in
den einzelnen Reihen gemaß einem vorgeschriebenen Zeitplan durchzuführen. Bei den
herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen ist jedoch pro Reihe eine Gruppe von Regenerationsbehältern
vorgesehen, was dazu führt, daß die Größe der Vor richtung sowie der Aufwand für
den Aufbau und die Wartung der Vorrichtung außerordentlich groß werden.
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Ein Hauptziel der Erfindung besteht deshalb darin, ein Adsorptionsverfahren
und eine Adsorptions-Vorrichtung zu schaffen, um die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung
zu verbessern und die Adsorption mit großen wirtschaftlichen Vorteilen durch führen
zu können. Zur Aufga-be der Erfindung gehört es ferner, eine Adsorptionsvorrichtung
mit mehreren Reihen von Adsorptionseinheiten zu vermitteln, wobei die Größe der
gesamten Adsorptionsanlage sich dadurch so klein wie möglich machen läßt, daß die
Regenerationseinrichtungen in jedem Adsorption: bett effektiv ausgenützt werden,
wodurch sich der Aufwand fiir
Bau und Wartung erheblich reduzieren
läßt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe vermittelt des Erfindung ein Adsorptionsverfahren,
bei dem die Adsorption dadurch erfolgt, daß eine Vielzahl von Reihen von Adsorptionseinheiten
vero wendet wird, von denen jede mindestens ein Adsorptionsbett, vorzugsweise mehrere
Adsorptionsbetten, umfaßt und jedes Adsorptionsbett mit der Regenerationslauge derart
gewaschen wird, daß das Bett zunächst mit einer Regenerationslauge ge waschen wird
die die aus dem Adsorbens desorbierte Substanz in hoher Konzentration enthält, und
die Konzentration der desorbierten Substanz in den zum Waschen der Betten zugeführten
Regenerationslaugen allmählich abgesenkt wird; das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet
sich dadurch, daß die Zuführung der Regenerationslauge gemß eirj-em für jede Reihe.
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jeweils vorgeschriebenen Zeitplan durchgeführt wird und zwischen den
Reihen ein Phasenunterschied bewirkt wird, so daß für sämtliche Reihen eine Gruppe
von Vorratsbehältern fisr die Regenerationslauge verwendet werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lösung der genannten Aufgabe
umfaßt folgende Elemente: eine Adsorptionseinrichtung mit mehreren Reihen von Einheiten,
wobei äede Reihe mehrere mit einem Adsorptionsmaterial gefüllte Adsorptionsbetten
um.
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faßt; ferner mehrere Vorratsbehälter für eine Regenerations lauge,
in der eine aus dem Adsorptionsmaterial desorbierte Substanz gelöst wird, wobei
die Konzentrationen der Lauge in den verschiedenen Behältern unterschiedlich ist;
ferner eine Einrichtung zur Zuführung der Lauge mit einer verhältnismäßig geringeren
konzentration aus einem der Behälter an eines der zu regenerierenden Adsorptionsbetten
in jeder Reihe von Binheiten; sowie eine Einrichtung zur Zuführung der den Adsorptionsbetten
entzogenen Lauge in einen weiteren Behälter für Lauge mit verhältnismäßig höherer
Konzentration, wobei eines der Adsorptionsbetten in der Regenerationsstufe durch
eine
Lauge mit höherer Konzentration und das andere Bett durch eine
Lauge mit niedrigerer Konzentration gewaschen wird und -die Lauge aus den Behältern
den einzelnen Adsorptionsbetten zugeführt wird, die der Reihe nach von der höher
konzentrierten zur niedriger konzentrierten uge gewechselt werden, so daß das Adsorptionsmaterial
genügend regeneriert wird.
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Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevor zugter
Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutern; in den Zeichnungen
zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine
Abgas-Entschwefelungseinrichtung; Fig, 2a eine schematische Darstellung der Arbeitsweise
der in Fig. 1 gezeigten Entschwefelungsvorrichtung; und Fig. 2b ein Diagramm für
den Arbitsablauf in der Entschwefelungvorrichtung nach Fig. 1.
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Gemäß Fig. 1 sind Adsorptionsbetten 1-I, 1-II bis 6-II, 6-111 über
Ventile 18-I bis 18-III an eine Leitung 20 angeschlossen.
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Das-Abgas wird jeweils am unteren Teil des mit Aktivkohle ge füllten
Adsorptionsbettes eingeleitet und vom oberen Teil des jeweiligen Adsorptionsbettes
einer Leitung i6 zugeführt, über die das Gas durch einen (nicht gezeigten) Kamin
abgezogen wird.
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Die einzelnen Adsorptionsbetten sind jeweils über ein Ventil 10, das
über eine SteUerung 12 geöffnet und geschlossen wird, parallel an ein Zuleitungsrohr
24 für Regenerationslauge angeschlossen.
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An die Adsorptionsbetten ist ferner jeweils über einen Wasserverschluß
14 ein Ableitungsrohr 26 für die Regenerationslauge
angeschlossen.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung umfaßt achtzehn Adsorptionsbetten, die in eine
linke und eine rechte Reihe von Adsorptionseinheiten (Reihe A bzw. Reihe B) unterteilt
sind, wobei jede Reihe neun Betten umfaßt. Die Abgase behandlung sowie die Desorption
und Regeneration der Aktivkohle werden jeweils in diesen beiden Reihen A und B durch
führt. Die in Fig 1 gezeigte Vorrichtung bildet also ede Abgas-Behandlungsvorrichtung
mit zwei Reihen von Adsorptionssystemen.
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Als Lauge zur Regeneration der Aktivkohle wird erfindungsgemäß Wasser
benützt. Wird das Wasser einmal zum Waschen ver wendet, so löst es desorbiertes
SO3 und wird dabei in eine wässrige Lösung von Schwefelsäure umgewandelt. Daher
enthält die Regenerationslauge, von der hier die Rede ist, Wasser und Schwefelsäurelösungen.
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Die Zu- und Ableitungsrohre 24, 2'; t und 26, 26' für dieregenerierende
Lauge sind an Zwischenbehälter 32 und 32' angeschlossen. Weiterhin sind sämtliche
Regenerationslaugen-Behälter 7A bis 7G über Ventile 62, 62', 63 und 63! sowie ein
Ventil 40 an die Zwischenbehälter angeschlossen. Ferner sind Regenerationslaugen-Leitungen
61 und 61t über Ventile 76 und 76' an das mit einem Ventil 68 versehene Zuleitungsrohr
24 bzw. an das mit einem Ventil 34 versehene Zuleitungsrohr 24t angeschlossen. Die
Zwischenbehälter 325 32' stehen außerdem über Ventile 46 bzw. 46', Pumpen 38 bzw.
38' sowie Rückschlagventile 48 bzw. 48' mit den Zuleitungsrohren 24 bzw. 24' in
Verbindung. Zwischen einerseits den Leitungen 61 und 61' zur Zuführung der. Regenerationslauge
und andererseits den Zuleitungsrohren 24 und 24' sind Ventile 72 bzw. 72 angeordnet,
die mit einem Druckmesser und einem Probenentnahme-Ventil 74 bzw.
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74' ausgerüstet sind.
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Der Regenerationslaugen-Behälter 7A enthält eine Lösung mit der höchsten
Schwefelsäurekonzentration, die in den übrigen
Behältern in der
Reihenfolge 73, 7C, 7D, 7E und 7F abnimmt.
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Das Adsorptionsbett, das in die Regenerationsstufe gelangt, wird nämlich
zunächst mit der Regenerationslauge des Behälters 7B gewaschen, und die Regenerationslauge
wird mit der dadurch erhöhten Schwefelsäurekonzentration in den Behälter 7A geleitet
und von dort als Ablauge abgezogen. Sodann wird das Adsorptionsbett mit der in dem
Behälter 7C enthaltenen stärker verdünnten Schwefelsäurelösung gewaschen; und diese
Regenerationslauge wird mit der dadurch wiederum erhöhten Schwefelsäurekonzentration
in den Behälter 7B zurückgeleitet. Auf des¢ Art und Weise wird B ie die Schwefelsäurenkonzentration
der zum Waschen das Adsorptionsbetts benützten Regenerartionslauge stufenweise vermindert.
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In den Behälter 7G wird Wasser in einer Menge eingeleitet, die die
Menge der aus dem Behälter 7A entzogenen Regenerationsæ lauge kompensiert. Falls
als Adsorbens Aktivkohle verwendet wi, wird das aasorbierte 502 durch die katalytische
Wirkung der Aktivkohle zu 503 oxidiert, und das so gebildete SO. reagiert in bekannter
Weise mit dem Wasser zu Schwefelsäure.
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Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Adsorptionseinrichtung
sind weitere Zubehöre inrichtungen, wis Zwischenbehälter und Nebeneinrichtungen,
vorgesehen. Derartige Zusatzeinrichtungen sind nicht unbedingt erforderlich; es
ist jedoch vorteilhaft, Zwischenbehälter vorzusehen, weil dadurch vermieden wird,
daß die Regenerationslauge in den Rohrleitungen stehen bleibt, wenn sie von den
Behältern 7B bis 7G den Adsorptionsbetten zugeführt bzw. von diesen an die Behälter
7A bis 7F zurück geleitet wird.
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In Fig. 2a und 2b sind schematische Darstellungen zur Erläuterung
der Arbeitsweise bzw. des Zeitplans für die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung dargestellt.
Gemäß Fig. 2a sind in den Behältern 7A bis 7G Ventile Al bis G2 vorgesehen, und
jeder
Behälter ist über Ventile 51-1 und 51 2 an Zwischenbehälter
100 und 100' angeschlossen. Die Adsorptionsbetten, wie sie bei 102 und 102' dargestellt
sind, werden der Regenerationsbehand lung jeweils in den Reihen A und B unterzogen.
Die von den Behältern 7B bis 7G abgeführten Regenrationslaugen werden den Betten
102 und 102 über Ventile 21-1, 21-2, 22-1 und 22-2-mittels Pumpen P-1 und P-2 zugeführt.
Die Behälter sind mit den Zwischenbehältern über die Ventile 51-1 und 51-2 sowie
an die Zuführungsseite für die Regenerationslauge über Ventile 31-1 und 31-2 angeschlossen.
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In dem in Fig, 2b gezeigten Zeitplan für dls Arbeitsweise der Entschwefelungsvorrichtung
mit der oben genannten Ar.ordnung ist ein Arbeitszyklus (der beide Reihen Ä und
3 umfaßt) so eingestellt, daß er in sieben Stunden beendet Ist. Die arbeitsweise
der Reihe B (die In Fig. 2b durch die gepunkteten Einheiten dargestellt ist) ist
gegenüber der Arbeitsweise der Reihe A (die durch glatte Einheiten wiedergegeben
ist) um einem halben Zyklus (vier Stunden) verzögerut.
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Im folgenden soll die Arbeitsweise der Reihe A veranschaulicht werden.
Wie aus Fig. 2b ersichtlich, läuft die Arbeitsweise der Reihe B in der gleichen
Art und eise wie die der Reihe A, jedoch mit einer Verzögerung von vier Stunden,
ab Daher dürfte dem Fachmann zum Verständnis der Arbeitsweise der gesamten Vorrichtung
eine Erläuterung der Arbeitsweise der Reihe A genügen.
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Wie aus Fig. 2b ersichtlich, werden die Ventile 51-1 und B1 zehn Minuten
lang geöffnet, um die Regenerationslauge von dem Behälter 7B (die nach der in dem
Behälter 7A enthaltenen Schwefellsäurelösung die höchste Schwefelsäurekonzentration
hat) in den Zwischenbehälter 100 einzuleiten. Nachdem die Ventile 51-1 und B-1 geschlossen
worden sind, wird das Ventil 22-1 geöffnet und die Pumpe P-1 eingeschaltet. Etwas
später wird das Ventil 21-1 geöffnet, um die Regenerationslauge von dem Zwlschenbehälter
100 in den oberen Teil des Adsorptionsbetts 102
einzuleiten, wodurch
die Aktivkohle, die adsorbiertes- So2 in Form von 503 enthält, gewaschen und regeneriert
wird.
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Das Ventil 21-1 wird etwa eine Stunde tild 25 lilnuten lang geöffnet,
wobei während dieser Zeit die Pumpe P-1 angetrieben wird. Daher zirkuliert die Regenerationslauge
zwischen dem Absorptionsbett 102 und den Zwischenbehälter 100, wobei das Waschen
in aureichendem Maße durchgeführt wird.
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Kurz -or dem Schließen des Ventils 21-1 wird mit dem Öffnen des Ventils
A-1 an den Behälter 7A begennen, während das Ventil 22-1 geöffnet gehalten wird,
und das Ventil 31 1 wird geöffnet, um die Regenerationslauge von dem Zwischenbehälter
100 in den Behälter 7A einzuleiten. Von dem Behlter 7A wird eine geeignete Menge
an Schwefelsäurelösung entzogen und in einem geeigneten Intervall gesammelt. Gleichzeitig
wird dem Behälter 7G Waser in einer Menge zugeführt, die der Menge ar entzogener
Schwefelsäurelösung entspricht.
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Nachdem das Ventil 31-1 geschlossen, die Pumpe P-1 abgeschaltet und
das Ventil A-1 geschlossen worden ist, werden die Ventile 51-1 und Cl 10 Minuten
lang geöffnet, wobei in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, die Regenerationslauge
von ae Behälter 7C (die eine geringere Schwefelsäurekonzentration hat al die Regenerationslauge
in dem Behälter 7B) in den Zwischenbehälter 100 eingeleitet wird. Die Pumpe P-1
wird wiederum eingeschaltet, und die Regenerationslauge von dem Barischen behälter
100 wird dem oberen Teil des Adsorptionsbetts 102 zugeführt. In dieser Weise zirkuliert
die Regenerationslauge 25 Minuten lange Während die Pumpe P1 eingeschaltet bleibt,
wird das Ventil 21-1 geschlossen, und die Ventile 31-1 und B-1 werden geöffnet,
um die Regenerationslauge von dem Zwischenbehälter in den Behälter 7B zu leiten.
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Die Zirkulation der Regenerationslauge wird dann in der gleichen Weise,
wie oben beschrieben, wiederholt, wobei in der letzten Stufe die flegenerationslauge
(Wasser) aus dem Behalter 7G in den Zwischenbehälter 100 eingeleittt und das Adsorptionsbett
102 25 Minuten lang mit dieser "Lauge" gewaschen wird, um die Aktivkohle vollständig
zu regenerieren.
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Die Rei!e A arbeitet in der vorbeschriebenen Art und Weise Die Reihe
B arbeitet in gleicher Weise, jedoch mit einer Verzögerung von 4 Stunden. Wegen
dieses Phasenunterschieds stört die Benützung der Behälter 7A bis 7G durch den Zyklus
der Reihe A die Benützung der gleichen Bhälter durch den Zyklus der Reihe B nicht,
und beide Reihen A irnd B arbeiten glatt und zweckmäßig, woraus sich ergibt, daß
eine Gruppe von Regenerationslaugen-Behältern ausreicht, selbst wenn mehrere Reihen
von Adsorptionsbetten vorgesehen sind, so das sich die Größe der Vorrichtung auf
ein Minimum reduzieren läßt.
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Die Erfindung vermittelt also große wirtschaftliche Vorteile.
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Wurde die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung unter den nachstehenden Bedingungen
gemäß dem in Fig. 2b gezeigten Zeitplan betrieben, so wurden die nachstehenden Ergebnisse
erzielt.
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Abgasmenge: 420.000 Nm³/h; (N= unter Normalbedingungen) Abgastemperatur
am Einlaß der Adsorptionsvorrichtung: 130 °C; Zusammensetzung des Abgases: 12 Vol
% CO2, 10 Vol % H2O, 5 Vol % O2, 800 ppm SO2, Rest N2; Form der Aktivkohle: Pellets
mit einem Durchmesser von von 5 bis 8 mm; Höhe der Aktivkohle in dem Adsorptionsbett:
2 m; Menge an Aktivkohle: 40 m³ pro Bett; Fassungsvermögen der Behälter 7A bis 7G:
50 m3 pro. Behälter; Wassertempratur: 20 °C; Durchsatz der Pumpen 38, 38': 250,000
Kg/h;
Schwefelsäurekonzentration in den Behältern 7E bis 7G (bei
der angegebenen Laugentemperatur): Behälter 7A: 20; 700C) Behälter 7B: 14% (60°C)
Behälter 7C: 10% (50°C) Behälter 7D: 7% (40°C) Behälter 7E: 5% (30°C) Behälter 7F:
3% (25°C) Behälter 7G O (200C) -Entschwefelungsgrad: 90% (bei einem SO2-Gehalt in
dem Abgas in der Leitung 16 von etwa 80 r::Y.
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In der vorstehenden Ausführungsform beträgt der Phasenunterschied
zwischen den Reihen A und B etwa einen halben Zyklus (4 Stunden); der Phasenunterschied
beschränkt sich jedoch nicht auf diesen Wert. Vielmehr läßt sich ein optimaler Phasenunterschied
wählen, solange die Reihen hinsichtlich der Benützung der Gruppen von Regenerationslaugen-Behältern
einander nicht stören. Sind beispielsweise drei oder vier Reihen von Adsorptionsbetten
vorgesehen, so karuz ein Phasenunterschied von einem Drittel oder einem Viertel
eines Zyklus gewählt werden.
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Wie ersichtlich, ist es für die vorliegende Erfindung z-eck-Mäßig,
daß jede Reihe mehrere Adsorptionsbetten umfaßt. Enthält jede Reihe nur ein einziges
Adsorptionsbett, so wird das Bett einer Reihe in der Adsorptionsstufe belassen,
bis die Regeneration des Bettes einer weiteren Reihe in wesentlichen beendet ist.
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Die Anzahl an Regenerationslaugen-Behältern richtet sich nach der
gewünschten Schwefelsäurekonzentration in der von den letzten Behälter 7A entnommenen
Lauge, der SO2-Konzentration in dem zu behandelndeh Abgas sowie der Abgasmenge (der
absoluten Menge an SO2). In gewöhnlichen Abgas-Entschwefelungsvorrichtungen
wird
im Hinblick auf die Ausnützung und den Transport der wiedergewonnenen Schwefelsäure
die Ablauge in Form von Schwefelsäurelösung mit einer Konzentration von etwa 20%
wiedergewonnen. In einem derartigen Fall ist es vorteilhaft, gemäß dem vorstehenden
Ausführungsbeispiel sieben Behälter in einer Reihe vorzusehen, wenn das Fassungsvermögen
der Behälter und der Wiedergewinnungsgrad berücksichtigt werd Die Erfindung ist
oben in Anwendung auf eine Entschwefelungsvorrichtung beschrieben worden; sie läßt
sich jedoch auch auf andere Adsorptionsvorrichtungen anwenden.