DE3200910C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bei den an Adsorptionsmitteln aus einem Trägergas adsorbierten organischen Gasen handelt es sich in erster Linie um Lösungsmittel, aber auch um solche organischen Verbindungen, die - so wie Lösungsmittel - an Adsorptionsmitteln relativ gut adsorbierbar, aber vergleichsweise schwer zu desorbieren sind. Solche Gase sind bei H. Menig, Luftreinhaltung durch Adsorption, Absorption und Oxidation, Dt. Fachschriften-Verlag, Wiesbaden, in Tabelle 1.29, Seite 112, veröffentlicht. Im Sinne der Erfindung sollen unter organischen Gasen auch deren Dämpfe verstanden werden. - Als Adsorptionsmittel kommen alle für das technische Gebiet relevanten Adsorptionsmittel, also vor allem Aktivkohlen, Zeolithe und ähnliche in Frage.

Es ist bekannt, bei der adsorptiven Lösungsmittelrückgewinnung mittels Aktivkohle die Regeneration beladener Aktivkohle dadurch vorzunehmen, daß man diese entweder mittels aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen stammendes Inertgas erhitzt und dabei desorbierendes Lösungsmittel fortspült oder mit Wasserdampf ausdämpft; anschließend wird das bei der Regeneration anfallende Gemisch aus Lösungsmitteldampf und Wasserdampf bzw. Inertgas zur Wiedergewinnung des Lösungsmittels in flüssiger Form und in einer Reinheit, die eine Wiederverwendung erlaubt, durch an sich bekannte Verfahren getrennt.

Aus der DE-PS 6 00 086 ist es bekannt, Gase, z. B. Kohlendioxid, zum Austreiben adsorbierter Stoffe zu verwenden, indem man die mit organischen Gasen oder Dämpfen beladenen Adsorptionsmittel von dem Gas bei erhöhter Temperatur durchströmen läßt. Dabei wird das Gas mit Hilfe eines Erhitzers erwärmt. Die Austreibung der adsorbierten Stoffe kann noch durch eine indirekte Erhitzung des Adsorptionsmittels verstärkt werden.

Die vorerwähnte Regeneration, auch thermische Regeneration genannt, ist relativ energieaufwendig. So werden für das Ausdämpfen von mit toluol- oder benzinbeladener Aktivkohle 3 kg Dampf/kg rückgewonnenem Lösungsmittel benötigt. Anschließend ist die Aktivkohle noch zu trocknen und zu kühlen; darüber hinaus muß bei wasserlöslichen Lösungsmitteln noch eine energieaufwendige Destillation zur Lösungsmittelrückgewinnung vorgenommen werden. - Auch bei der thermischen Regeneration mittels eines 200-600°C heißen Inertgases (nach dem sogenannten "Adsoxverfahren") werden zur Erzeugung des heißen Inertgases durch Verbrennung von Propan mehr als 1 kg Propan/kg Lösungsmittel benötigt.

In Staub-Reinhaltung Luft 36 (1976), Nr. 8, Seiten 337-340 wird ein Überblick über die Regeneration von Absorptionsmitteln gegeben. Bei der Regenerierung von mit einem absorptiv beladenen Lösungsmittel einer Absorptionsanlage wird bei der Desorption ein geringerer Druck angewendet als bei der Absorption. Hierbei muß aber berücksichtigt werden, daß bei der Absorption andere Bedingungen vorliegen als bei der Adsorption.

So ist es auch aus dem Bereich der Druckwechseladsorptionstechnik bekannt, adsorbierte Gase durch Absenken des Gesamtdruckes im Adsorptionsreaktor zu desorbieren. Da die in Rede stehenden organischen Gase in der Regel jedoch eine für die Adsorption günstige, für die Desorption aber ungünstige Form der Gleichgewichtsisothermen an Adsorptionsmitteln haben (H. Jüntgen; Staub-Reinhaltung der Luft 36 [1976] 281), ist die auf dem Adsorptionsmittel verbleibende Restbeladung relativ hoch, so lange das zur Desorption notwendige Vakuum mit einem technisch vertretbaren Aufwand erzeugt wird. Dies hat für eine nachfolgende Adsorption eine nur sehr geringe Wiederbeladung (Zusatzbeladung) zur Folge, wodurch ein solches Verfahren wirtschaftlich uninteressant wird.

Auch eine Regeneration durch Spülen mit Inertgas führt aufgrund der Isothermen-Form wegen der hohen Verdünnung zu einem unbefriedigenden Ergebnis.

Es ist demnach die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches energiegünstiger als die bekannten Regenerationsverfahren ist; ein solches Verfahren soll darüber hinaus unter möglichst geringer Umweltbelastung durchzuführen sein.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäß in Frage kommenden Spülgase haben die Eigenschaft, bei den Desorptionsbedingungen, d. h. bei einem absolut niedrigeren Druck und ggf. erhöhter Temperatur gegenüber der Adsorptionsphase, an dem Adsorptionsmittel teilweise adsorbiert zu werden, wie dies auch bei dem bisher verwendeten Wasserdampf der Fall war. Es findet demnach eine Verdrängung der am Adsorptionsmittel adsorbierten organischen Gase statt; dabei bewirkt nicht adsorbiertes Spülgas das Austreiben der desorbierten organischen Gase aus dem Adsorptionsreaktor. Für den Desorptionsprozeß ist dabei erfindungsgemäß von entscheidender Bedeutung, daß der Desorptionsdruck unterhalb des bei der Adsorption herrschenden Druckes liegt. Diese Druckabsenkung soll etwa 50% oder mehr betragen und ist in der Regel um so größer, je schwächer das Spülgas am Adsorptionsmittel adsorbiert wird. Geringere Druckabsenkungen führen zu einem allmählichen Anstieg der Restbeladung an organischen Gasen auf dem Adsorptionsmittel, was einer zyklischen Wiederbeladung des Adsorptionsmittels entgegensteht.

Es kommt für das erfindungsgemäße Verfahren weder darauf an, ob die Adsorption bei Über- oder bei Atmosphärendruck erfolgte, noch ob die Druckabsenkung schlagartig bei Beginn der Desorption oder allmählich erfolgt, und ob das Spülgas in gleichmäßigen oder veränderlichen Strömungsraten angewendet wird; diese Parameter sind je nach Anwendungsfall leicht festzulegen und u. a. von der maximal zugelassenen bzw. erwünschten Verdünnung des desorbierten organischen Gases abhängig.

Die in Frage kommenden Spülgase bewirken nach ihrer Adsorption am Adsorptionsmittel eine gewisse Temperaturerhöhung durch die freiwerdende Adsorptionswärme. Diese Wärmemenge dient zunächst der Desorption der adsorbierten organischen Gase, da der Desorptionsprozeß endotherm ist. Je nach Art und Menge des adsorbierten Spülgases wird darüber hinaus eine Erwärmung des Adsorptionsmittels bewirkt, welche im Sinne einer Prozeßbeschleunigung die Desorptionskinetik der organischen Gase vorteilhaft beeinflußt.

Als besonders günstige Spülgase haben sich erfindungsgemäß Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Methan erwiesen. Andere Kohlenoxide oder Kohlenwasserstoffe mit einem C-Atom pro Molekül sind aber ebenfalls geeignet (Moleküle mit mehr C-Atomen würden selbst wieder Desorptionsprobleme aufweisen), wobei die Entscheidung für ein bestimmtes Spülgas u. a. von der Möglichkeit der anschließenden Trennung zwischen Spülgas und desorbiertem organischen Gas sowie der Frage abhängt, ob das Spülgas nach erfolgter Trennung von dem desorbierten organischen Gas ohne weitere Behandlung in die Atmosphäre entlassen werden soll. Für letzteren Fall empfiehlt sich vor allem die Verwendung von Kohlendioxid als Spülgas.

Nach erfolgter Desorption und ggf. Wiederabkühlung des Adsorptionsmittels auf Adsorptionstemperatur bewirkt - gemäß einer Weiterbildung der Erfindung - das den Adsorber durchströmende Trägergas, in Verbindung mit der Adsorption der organischen Gase aus dem Trägergas, am Adsorptionsmittel die Desorption des im eigentlichen Desorptionsschritt aus dem Adsorptionsmittel adsorbierten Spülgases, ohne daß hierzu ein energieaufwendiger eigener Desorptionsschritt - wie bei der Verwendung von Wasserdampf als Spülgas - erforderlich ist. Die dabei freiwerdenden Spülgasmengen können - je nach ihrem Umfang und Schädlichkeit des Spülgases für die Atmosphäre - zusammen mit dem Trägergas in die Atmosphäre entlassen oder einer geeigneten Nachbehandlung zum Entfernen aus dem Trägergas oder dergleichen zugeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist demnach vor allem für zyklisch im Wechsel zwischen Adsorption und Desorption arbeitende Verfahren zur Befreiung eines Trägergasstromes von organischen Gasen und deren eventuelle Wiedergewinnung geeignet.

Vor allem bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Lösungsmittelrückgewinnung wird man den Adsorptionsschritt in etwa bei atmosphärischem Druck ausführen und die Desorption bei einem Druck von etwa 0,5 bar und weniger, insbesondere unterhalb 0,1 bar.

Die in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagene Entfernung des desorbierten organischen Gases, aus dem den Reaktor verlassenden Spülgas bei einem höheren Druck als dem Desorptionsdruck, stellt eine besonders günstige Maßnahme zur Aufkonzentration des wiederzugewinnenden organischen Gases dar. Dabei wird die Trennung auf dem erwähnten höheren Druckniveau nach an sich bekannten Methoden vorgenommen, z. B. Auskondensieren des desorbierten organischen Gases. - Es empfiehlt sich, diesen Prozeß etwa auf dem Druckniveau des Adsorptionsschrittes, aber auch darüber, durchzuführen, wobei bei einem atmosphärischen Adsorptionsdruck die Wiedergewinnung des desorbierten organischen Gases bei Drücken bis etwa 10 bar stattfinden könnte.

Die in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagene Wiederverwendung des Spülgases nach einer Befreiung von desorbiertem organischem Gas hat den Vorteil, daß dieses weder in die Atmosphäre entlassen noch - abgesehen von kleineren Verlustmengen - für den Prozeß andauernd neu bereitgestellt werden muß. Darüber hinaus wird nicht vollständig aus dem Spülgas entferntes organisches Gas hierdurch erneut am Adsorptionsmittel adsorbiert und bei einem späteren Desorptionsschritt wieder entfernt, ohne in die Atmosphäre entlassen werden zu müssen.

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beiliegenden Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Die Fig. zeigt als Prinzipskizze eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das von einem organischen Gas zu befreiende Trägergas gelangt durch eine Leitung 1 über ein Gaseinlaßventil 2 in einen mit Adsorptionsmittel 3 gefüllten Adsorber 4 und verläßt ihn (gereinigt) über ein Gasauslaßventil 5 durch Leitung 6. Sobald die gewünschte Maximalbeladung des Adsorptionsmittels mit dem zu adsorbierenden organischen Gas erfolgt ist (in aller Regel vor dessen Durchbruch am Adsorberausgang), werden das Gaseinlaßventil 2 in Leitung 1 und das Gasauslaßventil 5 in Leitung 6 geschlossen und der Trägergasstrom dadurch unterbrochen oder einem im Parallelwechsel mit Adsorber 4 arbeitenden, fertig desorbierten Adsorber zugeführt.

Falls der Beladungsdruck (ausnahmsweise) höher als der Umgebungsdruck ist, wird der Adsorber 4 durch eine zwischen diesem und Gasauslaßventil 5 abzweigende Leitung 6 a über das Gasauslaßventil 5 a entspannt, wobei in der Regel nur gereinigtes Trägergas entweicht.

Die Druckverminderung im Adsorber 4 auf Desorptionsdruck (bevorzugt im Gegenstrom zur Adsorptionsrichtung) erfolgt durch Leitung 7 über Ventil 8 unter Verwendung einer Vakuumpumpe 9, welche an ihrer Ausgangsseite für eine Druckerhöhung des über Leitung 7 abgesaugten Gasgemisches sorgt. Ebenfalls in Desorptionsrichtung wird der Adsorber 4 - wie weiter unten beschrieben - mit Desorptionsdruck von einem Spülgas durchströmt. Über Leitung 10 gelangt das gesamte abgesaugte Gasgemisch weiter in eine Gastrenneinrichtung 11, z. B. eine Kondensationsanlage, aus welcher über Leitung 12 das desorbierte Gas, in aller Regel in flüssiger Form, abgeführt wird und aus welcher das bei diesem Trennprozeß zurückbleibende Spülgas über Leitung 13 abgeführt wird. Leitung 13 mündet bevorzugt in die das frische Spülgas führende Leitung 14, welche - im Falle einer Gegenstromspülung - über ein Druckregel-Ventil 15 mit dem Adsorber 4 verbunden ist. Frisches oder zu ergänzendes Spülgas kann über eine entsprechende Gasanschlußleitung 16 durch Druckminder-Ventil 17 und Ventil 18 der Leitung 14 zugeführt werden. Eventuelle Überschußmengen an Spülgas sowie das am Anfang der Desorptionsphase anfallende Trägergas werden über Ventil 19 durch Leitung 20 abgeführt.

Ausführungsbeispiel

Ein Adsorber, bestehend aus einem zylindrischen Rohr, mit einem Innendurchmesser von 52 mm und einer Innenlänge von 45 mm ist beispielhaft gefüllt mit 38,3 g Aktivkohle (Adsorptionsmittel), die eine Schüttdichte von 420 kg/m³ und eine spezifische Oberfläche von ca. 1150 m²/g (gemessen nach Brunauer, Emmett und Teller) aufweist. Durch diesen Adsorber wird bei einer Temperatur von 23°C und einem Absolutdruck von 1,01 bar Luft geleitet, die bestimmte Anteile an dampfförmigem Lösungsmittel aufweist. Für die beiden beispielhaft verwendeten Lösungsmittel Trichloräthylen (C₂HCl₃) bzw. Toluol (C₆H₅CH₃) sind die verwendeten Eintrittskonzentrationen in Luft nachfolgend aufgeführt:

Trichloräthylen:0,128 g/l Toluol:0,036 g/l

Die Beladung des Adsorptionsmittels mit der Lösungsmittel enthaltenden Luft wird so lange durchgeführt, bis die Lösungsmittelkonzentration im Adsorberausgang über 0,004 g C₂HCl₃/l bzw. 0,002 g C₆H₅CH₃/l steigt; dies bei einem Gasvolumen bei Trichloräthylen von 149,2 l, bei Toluol von 104,3 l. Danach wird mit einer ölfreien Vakuumpumpe auf einen vorgegebenen und in der nachfolgenden Tabelle aufgeführtem Druck p _D evakuiert, wobei das Gaseinlaßventil am Adsorbereingang geschlossen ist und somit die Strömungsrichtung des Gases bei der Desorption derjenigen bei der Adsorption (Lösungsmittelentfernung) entgegengerichtet ist (Gegenstrom). Ist der Druck p _D erreicht, so wird ein Dosierventil (Druckregelventil) am Adsorbereingang geöffnet und Spülgas (z. B. Methan oder Kohlendioxid, siehe nachfolgende Tabelle) durchströmt den Adsorber. Die Volumina, mit denen die Spülung durchgeführt wurde, und die Mengen an Lösungsmittel, die damit desorbiert wurden, sind in der Tabelle ebenfalls angegeben.

Desorptionsbedingungen

Für den Fall der Desorption von C₂HCl₃ mit CO₂ bei 23°C und 30 mbar Desorptionsdruck ergibt sich ein Energieaufwand von ca. 2.500 kJ/kg zurückgewonnenes C₂HCl₃.

Vergleichsbeispiel

Die Beladung des mit Aktivkohle gefüllten Adsorbers erfolgt unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel.

Bei der Desorption durch Ausdampfen mittels Wasserdampf nach dem Stand der Technik werden (Wärmeverluste treten keine auf) bei einem Druck von 1,05 bar und einer Temperatur von 112°C zur Desorption von 14,5 g C₂HCl₃ etwa 8,900 kJ/kg C₂HCl₃ benötigt. Das Wasserdampf/Lösungsmittelgemisch wird anschließend ohne eine Rückgewinnung von Wärme in einer nachfolgenden Trennstufe aufgebrannt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Desorption von an Adsorptionsmitteln aus einem Trägergas adsorbierten organischen Gasen durch Spülen des Adsorptionsmittels innerhalb eines Reaktors mit einem dabei teilweise adsorbierenden Gas (Spülgas), dadurch gekennzeichnet, daß als Spülgas ein Kohlenoxid oder Kohlenwasserstoff mit einem C-Atom pro Molekül bei einem Druck (Desorptionsdruck) verwendet wird, der bei 50% und weniger, insbesondere unterhalb von 10%, des Adsorptionsdruckes liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das adsorbierte Spülgas bei einem erneuten Adsorptionsschritt durch das Trägergas verdrängt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem den Reaktor verlassenden Spülgas desorbiertes organisches Gas bei einem höheren Druck als dem Desorptionsdruck entfernt wird.