DE3300541A1

DE3300541A1 - Verfahren zur regenerierung eines adsorptionsmittels

Info

Publication number: DE3300541A1
Application number: DE19833300541
Authority: DE
Inventors: James Cheltenham Cloucestershire Carlton; David John Alexander Mccaffrey
Original assignee: Coal Industry Patents Ltd
Current assignee: Coal Industry Patents Ltd
Priority date: 1982-01-22
Filing date: 1983-01-10
Publication date: 1983-08-04
Also published as: JPS58131134A; GB2114555A; GB2114555B; FR2520256A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regenerierung von Adsorptionsmitteln, und zwar insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf die Regenerierung von . Zeolit-Adsorptionsmitteln, die zum Trocknen organischer Lösungsmittel verwendet werden.

Bei zahlreichen chemischen Verfahren wird das Lösungsmittel durch andere Lösungsmittel, durch Wasser, Verunreinigungen und Nebenprodukte verunreinigt. Bei Beendigung des Verfahrens ist es daher erforderlich, das Lösungsmittel entweder zu verwerfen oder es zu reinigen. Bei einem Reinigungsverfahren kann das Lösungsmittel zunächst filtriert und dann von seinen Verunreinigungen durch fraktionierte Destillation abgetrennt werden. Oftmals, insbesondere wenn die Verunreinigungen einen ähnlichen Siedepunkt wie das Hauptlösungsmittel aufweisen, führt die fraktionierte Destillation jedoch lediglich zu einer teilweisen Wiedergewinnung des Lösungsmittels, wobei die Wiedergewinnung durch die Bildung von azeotropen Gemischen weiter herabgesetzt werden kann.

Es ist häufig aus wirtschaftlichen oder technischen Gründen ausgeschlossen, zusätzliches reines Lösungsmittel aus diesen azeotropen Gemischen durch Destillationsverfahren zurückzugewinnen. Typisch ist für die azeotropen Gemische, daß sie ein organisches Lösungsmittel und Wasser oder zwei ähnliche organische Lösungsmittel enthalten, wie Isopropanol/Wasser, Methanol/Wasser, Ethanol/Aceton usw.

Es ist vorgeschlagen worden, die weitere Reinigung von Lösungsmitteln oder azeotropen Gemischen, die bei der Destillation von verunreinigten Lösungsmitteln gebildet werden, mit Zeolit-Adsorptionsmitteln durchzuführen. Diese Adsorptionsmittel trennen die Bestandteile eines Gemischs aufgrund der Molekülgröße, -form und-polarität. So ist z.B. vorgeschlagen worden, ein Isopropanol/Wasser-Gemisch mit einem Zeolit vom Typ 3A zu trennen, das das Wasser in den

Poren zurückhält und das Isopropanol durch das Adsorptionsmittelbett hindurchtreten läßt. Das Adsorptionsmittel wird dabei mit Wasser gesättigt und muß periodisch regeneriert werden, indem das Wasser ausgetrieben wird. Dies erfolgt im allgemeinen durch Hindurchleiten eines heißen Gases durch das Adsorptionsmittel, wodurch das Wasser ausgetrieben wird.

Die Regenerierung von Zeolit-Adsorptionsmitteln unter Verwendung heißer Gase wurde bisher mit einer niedrigen Oberflächengasgeschwindigkeit durchgeführt, um einen zu großen Druckabfall quer durch das Adsorptionsmittelbett zu verhindern. Wenn der Temperaturabfall zu groß wird, ist es erforderlich, kostspielige Hochdruckgebläse anzubringen, um das heiße Gas durch das Bett hindurchzutreiben. Die Be-Ziehung zwischen dem Druckabfall quer durch ein Bett und der Oberflächengasgeschwindigkeit wurde bisher aufgrund folgender Gleichung ermittelt, die zuerst veröffentlicht wurde in Chem. Eng. Prog. 1952, 48(2), 89. Sie wird nach ihrem Autor im allgemeinen als Ergun-Gleichung bezeichnet.

^P „ 150 (1-E)²UV _A 1,75 (1-E) GV² __ χ g - = = + =

^U ^J ^ ΈΓ Dp

darin ist:

Δ P = Druckabfall quer durch das Bett L = Länge des Betts
g = Gravitationskonstante
E = Porenvolumen des Molekularsiebs u= Viskosität des Regenerierungsgases V = Oberflächengeschwindigkeit des Regenerierungsgases bei

mittlerem Druck
Dp = mittlere Teilchengröße des Molekularsiebs

G = Dichte des Regenerierungsgases. 35

Die Parameter der Gleichung müssen erforderlichenfalls bei der Betriebstemperatur der Regenerierung ermittelt werden.

Diese Gleichung enthält mehrere Größen, die für einen bestimmten Typ eines Zeolit-Adsorptionsmittels konstant sind. Die Hersteller von Zeolit-Adsorptionsmitteln haben deshalb für die Benutzung ihrer speziellen Zeolit-Adsorptionsmittel von dieser Gleichung mehrere vereinfachte Versionen abgeleitet. Eine vereinfachte Version der Gleichung, die für ein Zeolit vom Typ 3A mit einer Teilchengröße im Bereich zwischen 1,6 und 2,5 mm anwendbar ist, ist Folgende:

= 0,1157 uV + 2,107 χ 1 θ""⁵ GV²

Aufgrund dieser Gleichungen empfehlen die Hersteller zur Regenerierung irgendeines Zeolit-Adsorptionsmittels als maximal anwendbare Oberflächengeschwindigkeit etwa 0,35 m/sec. Es ist ausgerechnet worden, daß oberhalb dieses Wertes der Druckabfall quer durch das Bett unannehmbar groß wird.

Ein Beispiel für die Anwendung einer niedrigen Oberflächengeschwindigkeit zur Regenerierung eines Zeolit-Adsorptionsmittels ist in der GB-PS 1 193 127 auf Seite 3, Zeilen bis 48, angegeben. Die angewandte Oberflächengeschwindigkeit ist niedrig und das Gas tritt von unten nach oben durch das Bett mit einer Geschwindigkeit hindurch, die gerade ausreicht, um das Zeolit-Adsorptionsmittel zu fluidisieren.

Es ist nun überraschenderweise festgestellt worden, daß die Ergun-Gleichung oder deren vereinfachte Ableitungen das Verhalten der Zeolit-Adsorptionsmittel während der Regenerierung bei hohen Oberflächengeschwindigkeiten nicht exakt wiedergeben. Es hat sich herausgestellt, daß, selbst

wenn hohe Oberflächengeschwindigkeiten angewendet werden, es möglich ist, mit einem annehmbaren Temperaturabfall zu arbeiten.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Regenerierung eines Adsorptionsmittels mit einer Teilchengröße von mehr als 0,2 mm bereitgestellt, bei dem ein heißes Gas durch das Adsorptionsmittel mit einer Oberflächengeschwindigkeit von mindestens 0,5 m/sec hindurchtritt.

Das Gas tritt vorzugsweise von oben nach unten durch das Bett hindurch^um eine Fluidisierung des Adsorptionsmittels zu verhindern. Wenn das Adsorptionsmittel fluidisiert wird, erfährt es einen Abrieb und ein Teil desselben kann ausdem Bett weggetragen werden.

Die Vorteile der Anwendung einer hohen Oberflächengeschwindigkeit bestehen darin, daß die Zeit , die zur Regenerierung des Betts erforderlich ist, erheblich herabgesetzt wird und auch die Heizkosten reduziert werden. Der zuletzt genannte Vorteil beruht darauf, daß bei einer Industrieanlage zahlreiche Stellen mit Wärmeverlusten und einem geringen Wärmewirkungsgrad vorhanden sind. Bei einer bestimmten Gastemperatur geht also die gleiche Wärmemenge je Zeiteinheit von der Anlage bei einer gegebenen Oberflächengeschwindigkeit verloren. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedoch die Zeit, bei der heißes Gas zugeführt werden muß, erheblich herabgesetzt. Da die Wärme eine kürzere Zeitspanne zugeführt werden muß, wird somit der Gesamtwärmebedarf für die Regenerierung herabgesfetzt.

Wenn die Oberflächengeschwindigkeit des Gases ansteigt, nimmt der Druckabfall zu, jedoch nicht nach der Ergun-Gleichung. In der Praxis wird deshalb vorzugsweise eine

Oberflächengeschwindigkeit im Bereich zwischen 0,6 und 2,0 m/sec in Betracht gezogen. Vorzugsweise beträgt die Oberflächengeschwindigkeit etwa 1 m/sec.

Die Temperatur des Regenerierungsgases hängt in einem großen Ausmaß von dem Material ab, das von dem Adsorptionsmittel zurückgehalten wird. Bei einem typischen Fall, bei dem das Material Wasser ist, weist das Gas, das vorzugsweise trocken ist, eine Temperatur von etwa 260⁰C auf, jedoch kann das Gas bei einem erheblichen Feuchtigkeitsgehalt auch eine Temperatur im Bereich zwischen 150 und 300⁰C aufweisen. Bei einem trockenen Gas kann die Temperatur einen Wert bis auf 120⁰C herab besitzen.

Bei adsorbierten organischen Flüssigkeiten beträgt die Gastemperatur im allgemeinen vorzugsweise 60 bis 100⁰C, jedoch kann sie in geeigneten Fällen einen Wert bis auf 4O⁰C herab oder bis zu 300⁰C aufweisen, je nach der Natur des adsorbierten Moleküls.

Wenn das zurückgehaltene Material Wasser ist, ist es möglich, Luft als Regenerierungsgas zu verwenden. Es ist jedoch erforderlich, das System zunächst mit kalter Luft zu spülen , um Lösungsmitte!dämpfe zu entfernen, bevor mit heißer Luft geblasen wird. Dadurch wird die Möglichkeit einer Explosion , die durch eine Zündung des Gemischs aus Lösungsmitteldampf und heißer Luft verursacht wird, verhindert. Falls das zurückgehaltene Material eine brennbare organische Flüssigkeit ist, sollte das Gas entweder sauerstofffrei oder zumindest sauerstoffarm sein. Bei einer großtechnischen Anlage ist üblicherweise irgendeine Form einer Verbrennungseinrichtung vorhanden, so daß das Verbrennungsgas derselben als Regenerierungsgas verwendet werden kann. Das Verbrennungsgas enthält normalerweise etwas Feuchtigkeit.

Das Gas kann durch das Adsorptionsmittel mit herkömmlichen Ventilatoren bzw. einem herkömmlichen Gebläse bei relativ niedrigem Energieverbrauch hindurchbewegt werden. Man ist bisher davon ausgegangen, daß die Kosten von Ventilatoren bzw. einem Gebläse , das zu dem erwarteten hohen Druckabfall bei einer hohen Oberflächengeschwindigkeit führt, eine Realisierung unmöglich machen. Es hat sich nun herausgestellt/ daß dies ein Irrtum ist.

Es kann manchmal erwünscht sein, das Adsorptionsmittel auf einem Druck zu halten, der höher oder niedriger als der Atmosphärendruck ist. In einem solchen Fall besteht der Druckabfall quer durch das Adsorptionsmittelbett aus der Differenz des Drucks zwischen dem Gas am Einlaß und am Auslaß. Das ganze System wird in diesem Falle je nach Bedarf unter einem hohen Druck oder einem partiellen Vakuum gehalten.

Es kann jedes bekannte Adsorptionsmittel bei einer hohen Oberflächengeschwindigkeit regeneriert werden, einschließlich Zeolite, Aluminiumoxid, Silicagel und Chemikalien, wie Kalziumchlorid, Kalziumsulfat und anderen Salzen, die stabile Formen unter den oben angegebenen Bedingungen und außerdem verschiedene Hydratisierungsgrade besitzen. Das Verfahren dürfte jedoch insbesondere bei der Regenerierung von Zeoliten vom Α-Typ anwendbar sein, insbesondere jenen, die unter den Bezeichnungen 3A, 4A und 5A in den Handel gebracht werden. Es ist vorgeschlagen worden, diese Zeolite insbesondere zum Trocknen organischer Lösungsmittel mit einem hohen Wassergehalt zu verwenden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb insbesondere, jedoch nicht ausschließlich zur Regenerierung von Zeoliten anwendbar, die bei dem oben angegebenen Verfahren verwendet werden.

Nachstehend ist die Erfindung beispielsweise anhand eines

JJUU54 I

Verfahrens zum Trocknen eines Lösungsmittelstroms beschrieben.

Isopropanol, das 12/1 Gewichts-% Wasser enthielt, wurde von unten nach oben durch eine herkömmliche Säule hindurchtreten gelassen, die ein Bett aus einem Zeolit vom Typ 3A mit einer Teilchengröße im Bereich zwischen 1,4 und 2,0 im enthielt. Das Bett wies einen Durchmesser von etwa 0,6 m und eine Länge von 3,4 m auf und enthielt etwa 735 KiIogramm Bettmaterial. Das Isopropanol wurde im Bett mit einer niedrigen Oberflächengeschwindigkeit bei Umgebungstemperatur zugegeben. Das Produkt aus dem Bett bestand aus Isopropanol / das 0,1 Gew.-% Wasser enthielt.

Nachdem 1300 Kilogramm Isopropanol durch das Bett hindurchgeschickt worden waren bzw. nachdem der Wassergehalt des Isopropanol-Produkts auf etwa 0,2 Gew.-% angestiegen war, wurde der Isopropanol-Zufluß unterbrochen und das Bett wurde abtropfen gelassen. Das Adsorptionsmittel hielt etwa 175 Kilogramm Wasser in seinen Poren zurück.

Das Bett wurde folgendermaßen regeneriert. Es wurde kalte Luft von oben nach unten durch die Säule mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 1 m/sec eine Stunde lange geblasen. Danach wurde die Luft auf 260⁰C erwärmt und von oben nach unten durch das Bett mit der gleichen Geschwindigkeit weitere sechs Stunden geschickt. Die Erwärmung wurde dann unterbrochen und es wurde kalte Luft von unten nach oben durch das Bett eine Stunde lang geschickt. Durch diese Behandlung wurde im wesentlichen das gesamte Wasser aus dem Zeolit entfernt. Während des kalten Blasens und zu Beginn des" heißen Blasens wurde das Gas, das aus der Säule austrat, durch einen Kühler geschickt, um jegliche Lösungsmitteldämpfe , die von der Regenerierungsluftströmung mitgerissen werden, zurückzuhalten.

Die Behandlung mit kalter Luft zu Beginn der Regenerierung wurde durchgeführt, um Lösungsmitteldämpfe von der Säule zu entfernen, wodurch die Möglichkeit einer Explosion durch eine Zündung eines Gemischs aus heißer Luft und Isopropanol ausgeschlossen wird, das sich bilden würde, falls heiße Luft direkt in das Bett geblasen wird. Durch die sechsstündige Behandlung mit heißer Luft wird der allergrößte Teil des zurückgehaltenen Wassers entfernt, und durch die einstündige Nachbehandlung mit kalter Luft wird das Bett erneut auf eine Temperatur gekühlt, die sich zum Trocknen des verunreinigten Isopropanols eignet. Die tatsächliche Wassermenge , die in dem Adsorptionsmittel zurückbleibt, hängt von der Feuchtigkeit der Luft ab, die durch die Säule geblasen wird und beträgt unter den normalen Bedingungen der britischen Inseln etwa 2 bis 7 Gew.-% des tatsächlichen Wasseradsorptionsvermögens des Zeolit-Adsorptionsmittels. Die gesamte Behandlungszeit beträgt also etwa acht Stunden.

Bei einem ähnlichen System, das unter den bisher empfohlenen Bedingungen betrieben wurde, betrug die Oberflächengeschwindigkeit maximal etwa 0,3 m/sec , wobei für die Behandlung mit heißer Luft ein Zeitraum von etwa 25,5 Stunden erforderlich war. Die Gesamtdauer der Behandlung betrug etwa 30 Stunden, einschließlich eines einstündigen Kaltblasens zu Beginn und einer drei- bis vierstündigen Nachbehandlung. Es ist ersichtlich, daß bei Durchführung der Regenerierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Regenerierungszeit um mindestens 50 % herabgesetzt wird, womit eine entsprechende Reduzierung der Kosten der Erwärmung der Luft verbunden ist. Diese Kostenverringerung aufgrund der Reduzierung der Betriebszeit und der Erwärmung wird nicht durch die zusätzlichen Kosten zur Aufrechterhaltung einer hohen Oberflächengeschwindigkeit aufgebraucht. Auch wird die jährliche Kapazität einer vor-

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handenen Säule erheblich erhöht, da die Gesamtdauer eines Zyklus herabgesetzt wird. Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel wird nach der Ergun-Gleichung ein Druckabfall von etwa 110 MPa errechnet, er beträgt jedoch tatsächlich nur etwa 27 MPa. Es ist deshalb nicht erforderlich, große und teure Ventilatoren oder Gebläse vorzusehen, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.

Durch die Erfindung wird somit ein verbessertes Verfahren zur Regenerierung von Zeolit-Adsorptionsmitteln bereitgestellt, das wirtschaftliche und betriebliche Vorteile bietet.

Claims

BRQSE DKalBROSE D-8023 München-Pullach, Wiener Str. 2;τίΐ.(δ8θί>9330.«*;Τβΐ;»52ΐίΐ47 br*o«-d* Cables: -Patentlbus· München Coal Industry (Patents) Limited Hobart House, Grosvenor Place London SWlX 7AE, Großbritannien Diplom Ingenieure Case 4409 10· Januar 1983 Coal Industry (Patents) Limited Verfahren zur Regenerierung eines Adsorptionsmittels Patentansprüche

1. Verfahren zur Regenerierung eines mit adsorbierter Flüssigkeit beladenen Adsorptionsmittels mit einer Teilchengröße von mehr als 0,2 mm, bei dem ein warmes oder heißes Gas hindurchtreten gelassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch das Adsorptionsmittel mit einer Oberflächengeschwindigkeit von mindestens 0,5 m/sec hindurchtritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionsmittel ein Zeolit vom Typ 3A, 4A oder 5A ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas von oben nach unten durch das Adsorptionsmittel hindurchtritt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächengeschwindigkeit im Bereich zwischen 0,6 und 2,0 m/sec liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächengeschwindigkeit im Bereich zwischen 0,6 und 1,2 m/sec liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Luft ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die adsorbierte Flüssigkeit Wasser ist und das Gas eine Temperatur zwischen 120 und 300⁰C aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein Verbrennungsgas ist, das eine erhebliche Menge Feuchtigkeit enthält, und das Gas eine Temperatur von mindestens 150⁰C aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die adsorbierte Flüssigkeit eine organische Flüssigkeit ist und das Gas eine Temperatur zwischen 40 und 100⁰C aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas sauerstoffarm oder sauerstofffrei ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionsmittel unter Partialdruck oder einem partiellen Vakuum gehalten wird.