DE2423616A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der adsorptionstrennungstechnik von gas- und fluessigkeitmischungen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Adsorptionstrennungstechnik von Gas - und Flüssigkeitsmischungen -2. Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit entsprechender Vorrichtung zur Verminderung der erforderlichen Adsorbensmenge bei allen Adsorptionstrennungs-Prozessen von Gas- und Flüssigkeitsmischungen in verschiedenen Industrien, Werken u.dgl.
• 3. Der Adsorptionsmittelverbrauch und dessen Qualität, sowie die Größe und Bauart des entsprechenden Adsorbes sind, wie bekannt die wichtigsten Angaben jegliches Adsorptionsverfahrens.
• Die Adsorbensmenge und die erforderlichen Adsorptionsvorrichtungen müssen lediglich möglichst klein und einfach sein, so daß die dadurch entstandenen Produktionskosten auch möglichst niedrig sein können.
• 4. Es gibt zahlreiche adsorptionstechnische Verfahren um die Gas-oder Flüssigkeitsmischungen zu trennen, reinigen oder hochreinigen wie z.B. das Festbett-Verfahren, das Bewegtbettverfahren, das Flüssigbettverfahren, das Rektisorptionsverfahren (Hypersorption) u.a. Bei allen diesen Verfahren werden der Adsorptionsmittelverbrauch und die entsprechende Bett-Dimension mit Hilfe der experimentell-bestimmten Adsorptions (Sättigungs-)-Vermögen oder der "Durchbruch"-Menge sowie mittels der Mischungs-Anfangs- und Endkonzentration bestätigt.
• Bei der Gas- und Flüssigkeitstrennung mittels Adsorptionskolonnen wird die Länge (Höhe) des entsprechenden Adsorptionsbettes, entweder nach einer älteren Lineargleichung des sogenannten, experimentell bestimmten "Totenraumes' oder gemäß der neueren LUB-Methode (bzw. "Modell") bestätigt, wobei man auch die sogenannte "Massenübergangszone" experimentell bestimmten muß.
• Eine Verbesserung des Festbettverfabrens wird weiter dadurch erzielt, daß man getrennte "Zonen" (derselben Kolonne) in Reihe schaltet und durch zyklisches Umschalten des Mischungszu- und Ablaufes, den Effekt eines Gegenstroms (wie bei den Fließbettverfahren, wobei die gegebene Mischung immer eine gleichgroße Kolonnenlänge durchströst) erhalten wird.
• Um die Adsorptionskapazität (Vermögen) von Pulverkohle bei der Entfärbung von Zuckerlösungen und anderen Flüssigkeiten noch besser zu nutzen, wird man auch den Adsorptionsmittel in 2 oder sogar 3-stufigen Gegenstrom anwenden.
• 5. Die Adsorbensersparnisse bei diesen letzten verbesserten Verfahren läßt sieh üblicherweise unter Voraussetzung der greundlich'sgen (exponentiellen) Adsorptionsisothermen-Anwendbarkeit (Gültigkeit), mit Hilfe der Mischungsendkonzentration und des Exponentenwertes(n) der entsprechenden Gleichung berechnen.
• Bei konstanter Endkonzentration (ce) wächst bei diesem letzten Verfahren die Adsorptionsmittelersparnis umgekehrt mit dem n-We;.
• ap. So z.B. für ce = cO P und n = 2 ist die Ersparnis an bestimmten Entfärbungsmittel e2 = 50 %, während für n = 0,3 sind, nach diesem Verfahren die Ersparnisse nur e3 = 2 % (bei n<0,3 sind die Ersparnisse nicht größer als Null!).
• Zugleich ist diese letzte Verbesserung nur bei Flüssigkeiten-Trennung (bzw. Entfärbung) vorgesehen und nicht bei Dampf- oder Gasmischungen. Außerdem ist es für den einfachsten Fall der einstufigen Adsorption nach diesen herkömmlichen Verfahren keine Verbesserung vorgesehen z.B. mittels Konzentrationsänderung, Anwendung von mehreren Adsorbentien o.dgl.. Und auch die dadurch erzielte Ersparnisse selbst sind nach diesem Verfahren, wie gezeigt, größer bei den schwächeren Adsorptionsmitteln (mit höherer n-Werte), welche viel weniger interessant sind, als bei den stärkeren (~1hochaktiven11) Adsorbentien (mit kleineren n-Werte 1' da die angewandte Adsorptionsisotherme weder die Adsorptionssättigung noch die üblichen Maxima und Minima der Flüssigkeit-Adsorptionsisothermen berücksichtigt.
• 6. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die bekannten Adsorptionsverfahren zu verbesserxn, indem man den Adsorbensverbrauch weiterhin verringert sowie auch die Größe und Wartung der entsprechenden Vorrichtungen so anzupassen, daß die erzielten Produktionskosten möglichst niedrig werden können.
• 7. Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß in jedem Adsorber (bzw. Adsorberabschnitt) soviel Adsorptionsmittel eingesetzt wird und die entsprechende Eintrittskonzentration (bei welchen die geg. Mischung teilweise oder vollkommen mit dem AdsorbenSin Berührung kommt) gemäß der tatsächlichen Adsorptionsisothermen (welche vorläufig im Betriebslabor bestätigt sein sollte) so ausgewählt oder nötigenfalls auch abgeändert wird, daß sowohl diese Konzentration wie auch des Adsorbens Gesamtbeladung möglichst hoch werden können.
• 8. Zwecks einer größeren Adsorptionsmittel-Ersparnis, man kann dieser nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung auch in 2 oder mehrstufigen Gegenstrom anwenden, wobei der Adsorptionsmittel sogar aus 2 ganz verschiedenen Adsorbenssorten bestehen kann und die Adsorbensmasse in jeder Adsorptionsstufe verschieden ist und verhältnismäßig einer von einander entfernt sind, damit immer sowohl die Eingang- (Anfang)-Konzentration wie auch die Adsorbens-(End)-beladung möglichst hoch sein können.
• Solche Adsorptionsanordnungen, bei welchen die Adsorption eines bestimmten Bestandteils einer Mischung nur in einem kleinerem Anteil des gesamten, eingesetzten Absorbes stattfindet, sind schon seit langem bei der sogenannten "chromatographischen" -Adsorption gut bekannt. Diese Tatsache wurde aber leider bisher nur zu analytischen Zwecken angewandt, obwohl der Erfinder seit langem früher gezeigt hat, daß die Adsorption in dem "aktiven"-Anteil des Adsorbens durchaus vollständig ist und die Konzentration des adsorbierten Stoffes in den nachfolgenden Adsorbensanteilen, sowohl praktisch (maßanalytisch) wie theoretisch gleich Null bleibt, während der ganzen Zeitspanne dieser "totalen" Adsorption. Die Auffassung, daß die Ausführung des Adsorptionsprozesses in einer größeren als der genau erforderlichen Adsorbensschicht, die Legung des betreff. Adsorbens steigern könnte, ist zumindest im Falle der stärkeren, aktiver Adsorbentien wie z.B. die Aktivkohle, Silica-Gel. u.a. vollständig sinnlos.
• 9. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Adsorptionsmittelersparnisse erheblich größer als bisher, bei den üblichen Adsorptionsverfahren sind.
• Zugleich ist das vorgesehene Verfahren allgemeiner als alle anderen indem es sowohl bei Flüssigkeit- wie auch bei Gasmischungen, sowohl in einstufigen- wie auch in zwei- oder mehrstufigen Gegenstrom anwendbar ist.
• Außerdem sind die zugehörigen Verfahzensangaben besser an verschiedenen praktischen Sonderfällen angepaßt ohne mehr die nach den bisherigen Verfahren fast unvermeidbaren Fehlern zu enthalten, da alle Betriebsangaben erfahrungsgemäß nach der experimentell-bestätigten Adsorptionsisotherme ermittelt sind.
• Besonders vorteilhaft zeigt sich das erfindungsmäßige Verfahren -bei der Trennung bzw. Reinigung mittels Adsorptionskolonnen, wobei man auch andere merkwürdigere Vorteile aufzeigen kann und zwar - verminderte Abriebverluste des Adsorptionsmittels - höhere Adsorptionsleistungen beide Vorteile infolge einer kürzeren Strömungsdauer der be-.treff. Mischung durch die Adsorptionsmittelkolonne und weiter - verbesserte Kontrollmöglichkeiten der herausgezogenen Mischung - verbesserte Automatisierungsmöglichkeit - weitere Verbesserungsmöglichkeiten mittels z.B. anderen Ausbildungsarten der Adsorptionskolonnen usw.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in folgenden näher beschrieben.
• Beispiel 1 Ziel des Beispiels war die Entfärbung einer Flüssigkeit deren Adsorptionsisotherme Maxima besitzt.
• Eine Traubenzucker-Lösung, die 0,6 g/l Trockensubstanz enthält wird vorläufig mit konz. Na-Lauge gefärbt und danach mittels einem weißen, faserigen Entfärbungsmittel von mineralischer Herkunft (d = 0,2 g/cm3> behandelt.
• Es werden erfindungsgemäß je 200 ml Lösung in 2 verschiedenen Bechergläsern genommen und in einem von diesen 1 g und in der anderen 0;5 g Entfärbungsmittel hinzugefügt.
• Die erzielte Entfärbung wird dann mittels einer kolorimetrischen-aus derselben Lösung aufbereiteten Skala gemessen.
• Die dadurch erhaltene Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle aufgetragen: Versuch Entfärb. Anfangs- Ausgangs- Entfärbungsmit.
• Mittel- Konzentration der Lösung -Verbrauch Nr. Menge Menge 1 0,5 g 0,06 % 0,045 % 0,25 % 2. 1,0 g 0,06 % 0,06 % 0,5 % 3 0,5 g 0,02 % 0,01 % 0,75 % 4 1,0 g 0,02 % 0,015 % 1,5 % Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich, kann man in diesem Fall eine höhere Entfärbungsleistung (von etwa 50 % im Bezug auf der gegebenen Lösung) nur mittels einer vorläufigen Verdünnung (von 0,06 bis 0,02 %) der ursprünglichen Lösung zu erzielen (s.Versuc Nr. 3), da die ursprünglich gegebene Lösung bei größerem Entfärbungszusatz (von 0,5 bis 1,0 g) keine weitere Entfärbung ertragen kann, wegen eines offenbaren Maximums der entsprechenden Adsorptionsisotherme (s. Versuch Nr. 2).
• Der Adsorbensverbrauch liegt tatsächlich in diesem Fall ein bißchen höher (0,75 % anstatt von 0,25 %) er ist trotzdem, der kleinstmögliche Verbrauch um die obige Entfärbungsleistung zu erzielen.
• Beispiel 2 Dieses Beispiel veranschaulicht, daß der erfindungsgemäß Adsorbensverbrauch immer kleiner als der nicht von der vorliegenden Erfindung umfaßten Verfahrens ist.
• A. Behandelt wird eine Mischung mit einem Gehalt von 0,25 g/l an mehreren adsorbierbaren Kohlenwasserstoffe mit zwei verschiedenen körnigen und gut trennbaren Aktivkohle "A" und WB".
• Das Adsorptionsvermögen dieser Aktivkohle gegenüber der gegebenen Mischung war, nach Laborbestimmungen: aA = 9 % aB = 6,3 % bei einer Ausgangskonzentration, beiderfalls von: Ce = 0,01 g/l.
• Anschließend wurde im Labor bestätigt, daß die Aktivkohle "B", welche mit etwa 33 % billiger als "A" war, eine Adsorptionsisotherme der Form: aB = 1030c0,2 (1) folgt, wenn nur a genug weit von dem "Sättigungswert": as = 20 % ist (in dieser Gleichung sind a und c bzw. in mg/100 g und mg/m³ gegeben).
• Mit diesen Werten sind die erforderlichen Adsorptionsmittelmengen - 2,7 kg/m3 Aktivkohle A - 3,7 kg/m3 Aktivkohle B wobei man allerdings die letzte Aktivkohle "B" vorziehen muß, da diese Aktivkohle mit 33 % billiger ist und die errechneten Adsorptionsmittelkosten mit fast 2,7 - (3,7 - 1,25) X 100 = 10 9 2,7 niedriger liegen.
• Um die Adsorptionsfähigkeit dieser Aktivkohle besser zu nutzen, Gegenstrom wurde sie dann in einer zweistufigen # angewandt, wobei gemäB der herkömmlichen Verfahren die Ersparnisse mittels der Adsorptionsisotherme (1) berechnen kann. Sie sind bei einer Konzentrationsverminderung von 75 % (im Bezug auf der ursprünglichen Konzentration) für den bestätigten Exponentwert der Adsorptionsisotherme (n = 0,2) e75 % = 20 % Oder eine Adsorptionsmittelverbrauch von: A A =37 - 0,7 = 1,5 kg/m3 2 für jede Adsorptionsstufe.
• B. Eine größere Ersparnis wurde erfindungsgemäß erzielt, wenn nicht gleiche Mengen Aktivkohle Tiir 3ede obigen Stufen, sondern ganz verschiedens,gemäß der Adsorptionsisotherme bestimmten Mengen angewandt wurden.
• Indem bei einer Mischungskonzentration von c= 60 mg/l ist die Adsorption gemäß der Adsorptionsisotherme (1>: a = 103 (6.10#) 3,2 = 9,1 % es werden für lm3 der gegebenen Mischung bis zu der obigen Konzentration (60 mg/l): x = 250 - 60 . 100 = 2 kg Aktivkohle "B" 9,1 verbraucht und für die nachfolgende Stufe (bis zu der vorgeschlagenen Endkonzentration ce = 10 mg/l>': X = 60 - 10 . 100 = 0,75 kg/m3 6,3 und insgesamt für die beiden Stufen: 2,0 t 0,75 = 2,75 kg/m3 oder eine Ersparnis von: 3,7 - 2,75 ~ 100 = 25 % 3,7 anstatt von 20 % gemäß der herk. Verfahr.
• C. In den vorigen Abteilungen A und B wurde die Adsorption "a" gemäß der theoretischen Adsorptionsisotherme (1) gerechnet.
• Da aber die ermittelten a-Werte (9 % und mehr) nicht weit von den gefundenen "Sättigungswert" der betreff. Aktivkohle (as = 20 %) liegen, haben wir die experimentellen Bestimmungen en fortgesetzt, bei höhere Konzentration# und gefunden, daß tatschlich die Adsorptions-Werte viel höher liegen als gemäß Gl. (1) und zwar ist "a" bei c = 50 mg/l: a50 =14,1 % womit einen Adsorptionsverbrauch von nur: 250 - 50 ~ 100 = 1,42 kg/m3 14 bestätigen kann und weiter, wie vorher für die zweite Stufe: 50 - 10 . 100 = 0,63 kg/m3 6,3 und insgesamt: 1,42 + 0,63 = 2,05 kg mit einer noch höheren Ersparnis von: 100. (3,7 - 2,05) / 3,7 = 46 % D. Die Verfahrensweise des Beispiels C wurde wiederholt bis zu eine Konzentration von nur c = 60 mg/l wofür die tatsächliche, reelle Adsorption a ist a = 16 % womit einen Adsorbensverbrauch von: 250 - 60 = 1,2 kg/m3 16 errechnen kann. Die zweite Trennungsstufe wurde aber in diesem Falle mittels dem ersten gegebenen Adsorbens An durchgeführt, mit einem Adsorbensverbrauch von nur: 100 . 60 - 10 = 0,55 kg/m³ 9,1 und insgesamt für beide Stufen: 1,2 + 0,55 = 1,75 kg/m3 mit einer Ersparnis von: 3,7 - 1,75 = 1,95 kg oder e = 53 % Allerdings sind die Adsorbenskosten bei diesem Beispiel nicht niedriger als nach dem Beispiel B wegen der angegebenen Einzelpreise.
• E. Die Behandlung wird mit einer Mischung der beiden verfügbaren Aktivkohle A und B, in denselben Mengenverhältnis (1,2 : 0,55) aber in einer einzigen Stufe wiederholt.
• Die Ergebnisse dieser einstufigen Trennung wurden -vergleichbar mit den vorhergehenden Ergebnissen des Beispiels D, obwohl die betreffende Verfahrensweise viel einfacher war.
• Beispiel 3 dieses Beispiel beschreibt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Adsorptionskolonne.
• Durch eine mit körniger Aktivkohle "Norit" (Schüttgewicht etwa 0,4) gefüllte Kolonne läßt man einen Luftstrom mit 4 g/m3 ClC 6H5 CH2-Gehalt durchströmen.
• Die Kolonnen-Dimensionen waren: Oberfläche Q = 20 cm2 Länge 4 = 100 cm die Strömungsgeschwindigkeit war: v5 = 5 m / Minute Durch stetige Kontrolle der Ablaufgase wird eine "Durchbruchzeit" der obigen Kolonne von: Zr = 100 Stunden bestätigt.
• Zudem, ein Aktivkohle-Verbrauch von etwa 13,4 kg/m3 Dampf entspricht.
• Nachher wurde erfindungsgemäß dieselbe Kolonne in 3 gleichgroße Abschnitte getrennt und die jeweils entsprechende Durchbruchzeiten sorgfältig gemessen mit folgenden Ergebnissen: Durchbruchzeit der l-en Abschnitt Z1 = 25 Stunden Durchbruchzeit der l-en + 2-en " 1+2 = 62 Stunden Durchbruchzeit der l-en + 2-en+3-en # Z1+2+3 = 100 Stunden Zu diesen obigen Durchbruchzeiten entspricht dann die folgende gemeinsame allgemeine lineare Gleichung: Zr = 1,13 ( Lo - 11) welche beweist das schon bei einer Länge (L) von: L = 12,5 cm (= L/8) die Absorbenskolonne noch eine Durchbruchzeit von: S;/8 =1,13 (12,5 - 11) = lSt.u. 45 Minuten besitzt.
• Zuletzt wurde eine andere gleichgroße Adsorptionskolonne in 8 gleichgroßen Abschnitten getrennt und aus jedem Abschnitt wurde an der Reihe nach die durchgeströmte Ablaufmischung entnommen bis zu der entsprechenden Durchbruchzeit (Z) erreicht wurde.
• Die auf dieser Weise erzielte Durchbruchzeit betrug für die gesamten 8 Kolonnen-Abschnitte: h8) = 310 Stunden mit einem Verbrauch von: 4,4 kg Aktivkohle/1.000 m3 Gasmischung und eine Ersparnis (gegenüber der ursprünglichen) von rund: 13,4 - 4,4 = 9,0 kg oder 70 % Die Erklärung dieser überraschenden Leistungszunahme einer und derselben Adsorptionskolonne ist bloß dieselbe wie für manche schon erwähnte herkömmliche Verfahren (5. Beschreibung), wo man mit derselben Adsorbensmenge größere Mischungsmengen zu trennen könnte. Der Unterschied davon liegt offensichtlich vielmehr in eine verschiedene quantitative Ausführungsweise des Verfahrens und in einer besseren Anpassung an den tatsächlichen, reellen Fällen als in irgendwelchen anderen "qualitativen" Gründen.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Adsorptionstrennungstechnik von Gasen - und Flüssigkeitsmischungen, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die eingesetzte Adsorbensmenge wie auch die Konzentration der gegebenen Mischung so ausgewählt oder nötigenfalls abgeändert sind gemäß der betreffenden tatsächlichen Adsorptionsisotherme, daß die dadurch entstandene Adsorbens-(End-)beladung möglichst groß werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Anfang-(Eintritt-)konzentration der Flüssigkeitsmischungen, deren Adsorptionsisotherme Maxima darstellen, vorläufig mittels demselben Lösemittel bis zu einem, unter den entsprechendem Maximum, naheliegenden Wet herabgesetzt wird.

3. Verfahren nach Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verringerung der Anfangskonzentration mittels einem kleinen Anteil desselben Adsorbens durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Ansprüche 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, daß falls der Adsorptionsprozeß gemäß der 2- oder mehrstufigen Gegenstrom-Adsorption: durchgeführt ist, der Adsorbensverbrauch so festgestellt wird nach der entsprechenden ermittelten Adsorptionsisotherme, daß jeder Stufe eine verschiedene angepaßte Adsorbensmenge zutrifft.

5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorbensverbrauch nach der Adsorptionsisotherme unter BerAcksichtigung dieses Sättigungs-Gebietes festgestellt wird.

6. Verfahren nach Ansprüche 1 - 5 dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Adsorbens aus einer Mischung von zwei-verschiedenartigen, aber gut trennbaren Adsorbentien besteht.

7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die zwei verschiedenen Adsorbentien in einer 2- oder mehrstufigen Gegenstrom-Adsorption und in verschiedenen Mengen in jeder Stufe angewandt sind.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Trennungsprozeß in einer einheitlichen Adsorptionssäule stattfindet, welche als räumlich getrennte Zwei- oder Mehrschichtenkolonne ausgebildet ist, aus denen die Ablaufmischung jeweils in einer bestimmten Reihenfolge herausnimmt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß jeder Säulenabschnitt mit entsprechenden Stutzen, Schiebern und ein leerer Zwischenraum zwecks Ablaufmischungsentnahme vorgesehen ist.