DE60217429T3 - Verfahren zur Verminderung des Kohlendioxidgehaltes in einer Gasmischung - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Kohlendioxidmenge in einem Gasgemisch und insbesondere die Entfernung von Kohlendioxid aus einem Gasgemisch, das einer nachgeschalteten Verarbeitung unterzogen werden soll, bei der Kohlendioxid schädlich ist. Die Erfindung ist besonders gut brauchbar zur Entfernung von Kohlendioxid aus Luft, die als Beschickungsgas in einem Verfahren zur kryogenen Trennung oder Reinigung von Luft verwendet werden soll.
  • Kohlendioxid ist ein relativ hoch siedendes gasförmiges Material, und seine Entfernung sowie die von anderen hoch siedenden Materialien, wie z. B. Wasser, das in einem Gasgemisch vorhanden sein kann, ist notwendig, wenn das Gemisch anschließend in einem Niedrigtemperaturverfahren wie beispielsweise einem kryogenen Verfahren behandelt werden soll. Wenn relativ hoch siedende Materialien wie Kohlendioxid und Wasser nicht entfernt werden, können sie sich bei der späteren Verarbeitung verflüssigen oder fest werden und zu Druckabfällen und Fließschwierigkeiten im nachgeschalteten Verfahren führen. Bei der Reinigung von Luft kann es auch notwendig oder wünschenswert sein, gefährliche, z. B. explosive Materialien vor der Weiterverarbeitung des Gasgemischs zu entfernen, um das Risiko eines Aufbaus im weiteren Verfahren, wodurch die Explosionsgefahr wächst, zu verringern. Kohlenwasserstoffe können z. B. ein solches Risiko darstellen.
  • Es sind verschiedene Verfahren zur Entfernung von Kohlendioxid und Wasser aus einem Beschickungsgas durch Adsorption auf ein festes Adsorptionsmittel bekannt, darunter die Temperaturwechseladsorption (temperature swing adsorption = TSA) und die Druckwechseladsorption (pressure swing adsorption = PSA). Bei jeder dieser Techniken wird ein Bett aus einem Adsorptionsmittel lange genug der Einwirkung eines Stroms von Beschickungsgas ausgesetzt, um Kohlendioxid und Wasser aus dem Beschickungsgas zu adsorbieren. Anschließend wird der Strom des Beschickungsgases aus dem adsorbierenden Bett abgeschaltet, und das Adsorptionsmittel wird einem Spülgasstrom ausgesetzt, der das adsorbierte Gas und Wasser aus dem Adsorptionsmittel abtreibt und es für die weitere Verwendung regeneriert. Ein Druckwechseladsorptions- oder Wärmewechseladsorptionsverfahren kann mit gutem Ergebnis in einem kryogenen Verfahren zur Trennung von Luft als Vorreinigungsschritt eingesetzt werden. US-A-4,541,851 , 5,137,548 und 5,234,474 beschreiben Adsorptionsverfahren. Bei diesen Verfahren werden Wasser und Kohlendioxid mit gutem Ergebnis aus einem Gasgemisch entfernt, indem man das Gemisch mit einem Wasser adsorbierenden Material, z. B. Kieselgel oder Aluminiumoxid, und mit einem Kohlendioxid adsorbierenden Material, z. B. einem Zeolithen in Form eines Molekularsiebes, in Kontakt bringt. Es ist üblich, zuerst das Wasser und dann das Kohlendioxid zu entfernen, indem man das Gasgemisch durch eine einzige Adsorptionsmittelschicht oder getrennte Schichten von Adsorptionsmitteln leitet, die für die bevorzugte Adsorption von Wasser und Kohlendioxid in einer Säule ausgewählt wurden. Die Entfernung von Kohlendioxid und anderen hoch siedenden Komponenten bis zu einem sehr geringen Niveau ist besonders für den effizienten Betrieb von nachgeschalteten Verfahren wünschenswert.
  • Bei der TSA wird die zur Desorption des Kohlendioxids und des Wassers aus dem Adsorptionsmittel erforderliche Wärme in der Regenerationsphase durch erwärmtes Regenerationsgas zugeführt. Bei der PSA ist der Druck des Spülgases geringer als der des Beschickungsgases, und die Veränderung im Druck wird dazu verwendet, das Kohlendioxid und Wasser aus dem Adsorptionsmittel zu entfernen. Dabei wird die für die Desorption erforderliche Wärme durch die im Bett zurückgehaltene Adsorptionswärme zugeführt. Im Allgemeinen ist der Druck des Regenerationsgases auch bei der TSA geringer als der des Beschickungsgases. Allerdings wird bei einem TSA-Verfahren die Adsorptionsphase über einen längeren Zeitraum durchgeführt, und die Wärme aus der Adsorption des Kohlendioxids und Wassers auf dem Adsorptionsmittel, die während des Großteils der Adsorptionsphase freigesetzt wird, wird durch den Gasstrom aus dem Bett verdrängt. Es ist notwendig, dass das Adsorptionsmittelbett eine erhebliche Kapazität für die Adsorption von Kohlendioxid und Wasser hat. Wie in US-A-5,137,548 offenbart, muss die Differenz zwischen der Temperatur des Regenerationsgases und der Temperatur, bei der die Adsorption durchgeführt wird, nicht größer als 50°C sein und kann erheblich kleiner sein, vorausgesetzt, der Strom des Regenerationsgases reicht aus, um die erforderliche Desorptionswärme bereitzustellen.
  • Die Verwendung von Zeolithen bei der selektiven Entfernung von Kohlendioxid aus einem Gasgemisch sowohl durch TSA als auch PSA, insbesondere vor einem kryogenen Lufttrennungsverfahren, ist bekannt. Die Verwendung der Zeolithen 13X und 5A für die selektive Entfernung von Kohlendioxid ist ebenfalls bekannt, wie z. B. in US-A-4,249,915 beschrieben. Zeolithen, die ein Bindemittel enthalten, werden typischerweise in Form einer Perle oder eines Extrudats hergestellt, indem man kleine Zeolithteilchen mit dem Bindemittel vermischt. Bekannte Bindemittel umfassen Ton und beispielsweise auch Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und Gemische davon. Das Bindemittel wird verwendet, um die mechanische Festigkeit der Zeolithteilchen zu verbessern. Außerdem stellt ein Bindemittel ein großes Makroporennetz im Zeolithteilchen zur Verfügung; daher kann man eine verbesserte Stoffübertragung erwarten, weil bekannt ist, dass die Stoffübertragung durch die Makroporendiffusion gesteuert wird.
  • Ein Zeolith mit Bindemittel kann etwa 20 Gew.-% Bindemittel enthalten. Jedoch ist das Bindemittel im Allgemeinen inert und trägt nicht zur Adsorptionskapazität des Zeolithen bei.
  • Folglich hat eine bestimmte Gesamtmasse aus Zeolith und Bindemittel im Vergleich zu einem bindemittelfreien Zeolithen ein geringeres Volumen oder eine geringere Masse an tatsächlichem Zeolithen, die für die Adsorption zur Verfügung steht. Anders ausgedrückt: Um ein bestimmtes Adsorptionsniveau zu erreichen, braucht man ein größeres Volumen an Zeolith mit Bindemittel. Dazu ist auch ein größerer Reaktor erforderlich, und deshalb steigen der Kapitalaufwand und die variablen Kosten ebenfalls.
  • US-A-4,381,255 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines bindemittelfreien Zeolithen durch Extrudieren eines Gemischs aus einem Zeolithen und Metakaolinton gefolgt vom Kontaktieren des Extrudats mit Natriumhydroxid. Dadurch wird der Ton in Zeolith umgewandelt. Bindemittelfreie Zeolithen sind in US-A-5,810,910 zur Gewinnung von Ozon aus Gasströmen vorgeschlagen worden. Dort sind sie vorteilhaft, weil sie verringerte Mengen an Metallverunreinigungen enthalten, die Ozon katalytisch zerstören würden. Sie werden in US-A-5,868,818 zur Gewinnung von Sauerstoffaus Luft in einem PSA-Verfahren gelehrt.
  • Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, um die standardmäßigen, bindemittelhaltigen Zeolithen zu verbessern, um Kohlendioxid vor der Lufttrennung zu entfernen. US-A-5,531,808 beschreibt ein Verfahren zur Entfernung von Kohlendioxid aus Gasströmen unter Verwendung eines Zeolithen vom Typ X, der ein Verhältnis von Silicium zu Aluminium von nicht mehr als 1,15 hat. Durch Verwendung eines Zeolithen mit diesen Eigenschaften verringert oder vermeidet dieses Verfahren die Notwendigkeit, den Gasstrom in einem Lufttrennungsverfahren zu kühlen.
  • US-A-3,885,927 beschreibt ein Verfahren, bei dem Kohlendioxid bei einer Temperatur von –40 bis 120°C aus einem Kohlendioxid in einer Menge von nicht mehr als 1000 ppm enthaltenden Gasstrom zu entfernen. Dazu verwendet man einen Zeolithen vom Typ X, der mindestens 90 Prozentäquivalent Bariumkationen enthält.
  • EP 0 924 588 lehrt, dass ein X-Zeolith, in dem 70% oder mehr der verfügbaren Kationen Strontiumkationen sind, effektiv bei der Entfernung von CO2 aus Gasen ist. Offenbart wird, dass der Ausgangszeolith X bindemittelfrei sein oder ein Bindemittel enthalten kann.
  • US-A-3,773,690 lehrt die Herstellung eines bindemittelfreien Zeolithen aus einem mit Siliciumdioxid gebundenen Faujasitzeolithen oder einem Gemisch aus Faujasit und Zeolith vom Typ A. Dabei wird das Siliciumdioxid mit Al2O3 und NaOH-Lösung behandelt, um einen Zeolithen vom Typ A herzustellen. Wie offenbart wird, ist der resultierende bindemittelfreie Zeolith ein effektiveres Adsorptionsmittel für CO2 als ein Pulver, das ein Gemisch aus A- und Faujasit-Zeolithen der gleichen Zusammensetzung enthält.
  • Jetzt wurde festgestellt, dass bindemittelfreie Zeolithen eine höhere Kapazität für die Adsorption von Kohlendioxid haben, als man angesichts der Adsorptionskapazitat eines Zeolithen mit Bindemittel und der erwarteten Steigerung der Kapazität, wenn das Bindemittel durch den gleichen Zeolithen ersetzt würde, erwarten würde. Ähnliche Ergebnisse wurden bezüglich der Adsorption von N2O erzielt. Die verbesserte Kapazität ist besonders nützlich zur Verwendung bei einem TSA-Verfahren.
  • Folglich besteht ein erster Aspekt der Erfindung aus einem Verfahren zur Verringerung der Menge an Kohlendioxid in einem gasförmigen Gemisch, welches Kohlendioxid und mindestens eine andere gasförmige Komponente enthält, wobei die Menge an Kohlendioxid in dem gasförmigen Gemisch weniger als 1000 ppm ist, welches umfasst: das In-Kontakt-Bringen des gasförmigen Gemischs und eines bindemittelfreien Zeolithen vom Na-X-Typ mit einer Teilchengröße von mindestens 2 mm und nicht mehr als 4 mm, einem Verhältnis von Silizium zu Aluminium von mindestens 1,2 und in dem mindestens 90% der austauschbaren Kationen Natrium sind, wobei der bindemittelfreie Zeolith durch Erzeugen eines ein Bindemittel umfassenden Zeolithen und Umwandeln des Bindemittels zu Zeolith, um die Menge des Bindemittels zu verringern, erhältlich ist, wobei ein erstes Verhältnis, das zwischen der Adsorptionskapazität des bindemittelfreien Zeolithen für Kohlendioxid zur Adsorptionskapazität des ein Bindemittel enthaltenden Zeolithen vor der Verringerung der Bindemittelmenge bestimmt wird, größer ist als ein zweites Verhältnis, das zwischen der Menge an Zeolith im bindemittelfreien Zeolithen in Gew.-% zur Menge an Zeolith im Zeolith mit Bindemittel vor der Verringerung der Bindemittelmenge bestimmt wird.
  • In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Verringerung der Menge an N2O vorhanden als eine Spurenverunreinigung in Luft zur Verfügung, welches umfasst: das In-Kontakt-Bringen der Luft und eines bindemittelfreien Zeolithen vom Na-X-Typ mit einer Teilchengröße von mindestens 2 mm und nicht mehr als 4 mm, einem Verhältnis von Silizium zu Aluminium von mindestens 1,2 und in dem mindestens 90% der austauschbaren Kationen Natrium sind, wobei der bindemittelfreie Zeolith durch Erzeugen eines ein Bindemittel umfassenden Zeolithen und Umwandeln des Bindemittels zu Zeolith, um die Menge des Bindemittels zu verringern, erhältlich ist, wobei ein erstes Verhältnis, das zwischen der Adsorptionskapazität des bindemittelfreien Zeolithen für NO2 zur Adsorptionskapazität des ein Bindemittel enthaltenden Zeolithen vor der Verringerung der Bindemittelmenge bestimmt wird, größer ist als ein zweites Verhältnis, das zwischen der Menge an Zeolith im bindemittelfreien Zeolithen in Gew.-% zur Menge an Zeolith im Zeolithen mit Bindemittel vor der Verringerung der Bindemittelmenge bestimmt wird.
  • Gemäß beiden Aspekten der Erfindung übersteigt dieses erste Verhältnis das zweite Verhältnis um mindestens 2,5%, stärker bevorzugt um mindestens 10% und am meisten bevorzugt mindestens 20%.
  • Die Erfindung stellt mit gutem Ergebnis einen Weg zur Verfügung, um die hocheffiziente Entfernung von Kohlendioxid oder N2O aus dem Gasgemisch sicherzustellen. Überraschend ist die Adsorptionskapazität pro Einheitsvolumen oder Masse eines bindemittelfreien Zeolithen für Kohlendioxid größer als die des Zeolithteils des Zeolithen mit Bindemittel. Die Erfindung hat ferner den Vorteil, dass der bindemittelfreie Zeolith im Vergleich zu der Zeolithfraktion des Zeolithen mit Bindemittel auch eine verbesserte Kapazität für die Adsorption von N2O hat.
  • Außerdem ist die Stoffübertragung des bindemittelfreien Zeolithen für Kohlendioxid und für N2O überraschend verbessert, wenn man sie mit der der gebundenen Form des Zeolithen vergleicht. Das widerspricht jeglicher Erwartung und ermöglicht eine Verkürzung der Stoffübertragungszone, um eine bestimmte Adsorptionskapazität zu erreichen. Daher umfasst die Erfindung auch die Verwendung eines bindemittelfreien Zeolithen bei der Kohlendioxid- und/oder N2O-Adsorption, um die Länge der Stoffübertragungszone von Kohlendioxid und/oder N2O zu verringern.
  • Alternativ kann die verbesserte Stoffübertragung dazu verwendet werden, einen höheren Verfahrensdurchsatz zu erreichen, indem man den Fluss des Beschickungsgasgemischs erhöht. Bei einem herkömmlichen Verfahren kann eine Erhöhung des Flusses von Beschickungsgas zu einer unannehmbaren Fluidisierung des Adsorptionsmaterials führen.
  • Jedoch wurde festgestellt, dass bei der im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren gleichen oder größeren Länge der Zone für die Stoffübertragung die höhere Adsorptionskapazität des bindemittelfreien Zeolithen einen höheren Fluss der Beschickung ermöglicht, ohne dass die Prozesszykluszeit verändert werden muss. Eine Anlage zur Entfernung von Kohlendioxid und Wasser aus einem Beschickungsgemisch, z. B. Luft, kann für einen höheren Durchsatz aufgerüstet werden, indem man das herkömmliche Adsorptionsmittel durch einen bindemittelfreien Zeolithen ersetzt, ohne dass man das Volumen des Adsorptionsmittels und daher auch die Größe des Bettes in der Anlage erhöht.
  • Geeigneterweise hat der bindemittelfreie Zeolith eine größere Teilchengröße als ein in einem herkömmlichen Verfahren verwendeter herkömmlicher Zeolith. Die Teilchengröße beträgt mindestens 2 mm und nicht mehr als 4 mm und stärker bevorzugt nicht mehr als 3,5 mm. Der bindemittelfreie Zeolith kann optimalerweise eine Teilchengröße von 2 bis 3,5 mm haben, z. B. 3,2 mm.
  • In der Praxis in einer Lufttrennungsanlage kann der Durchsatz des Beschickungsgases typischerweise das die Analagenkapazität begrenzende Merkmal sein. Die Erfindung macht diese Einschränkung dadurch ein Stück wett, dass der „Flaschenhals” der Anlage zumindest in einem gewissen Ausmaß geöffnet wird. Der wichtigste praktische Vorteil beim Zulassen eines erhöhten Verfahrensdurchsatzes kann sichergestellt werden, ohne eine schädliche Fluidisierung des Adsorptionsmittels zu verursachen.
  • Außerdem erzielt man die überraschenden Vorteile der Erfindung nicht auf Kosten einer nachteiligen Verringerung in der physikalischen Struktur des Zeolithen. So verfügt der bindemittelfreie Zeolith über eine ausreichende mechanische Festigkeit für die Verwendung bei der Adsorption von Kohlendioxid oder N2O.
  • Im Zusammenhang mit der Erfindung bedeutet der Begriff „Entfernung” die Verringerung der Menge einer Komponente in einem gasförmigen Gemisch auf ein Niveau, unter dem das Gemisch einem weiteren nachgeschalteten Verfahren unterzogen werden kann, ohne dass es zu nachteiligen Auswirkungen aufgrund der Gegenwart der Komponente kommt.
  • Ein Zeolith kann als „bindemittelfrei” gelten, wenn die Menge des rückständigen Bindemittels nicht mehr als 5 Gew.-% des Adsorptionsmittels beträgt. Geeigneterweise ist die Menge an Bindemittel im Zeolithen nach der Verringerung der Bindemittelmenge, um einen bindemittelfreien Zeolithen herzustellen, nicht größer als 2 Gew.-% des Zeolithen, um die größtmögliche Adsorptionskapazität für Kohlendioxid im bindemittelfreien Zeolithen herzustellen.
  • Vorzugsweise ist der Zeolith, z. B. ein 13X-Zeolith, z. B. Zeolith F9-HA, der von der Tosoh Corporation erhältlich ist.
  • Der bindemittelfreie Zeolith hat ein Verhältnis von Silicium zu Aluminium von mindestens 1,2.
  • Vorausgesetzt mindestens 90% der austauschbaren Kationen des bindemittelfreien Zeolithen sind Natrium, kann der Zeolith auch andere austauschbare Kationen enthalten, die aus der Gruppe IA, IIA und IIIA des Periodensystems, Ionen der Lanthanoidreihe, Zink(II)-ionen, Chrom(III)-ionen, Kupfer(II)-ionen, Eisen(III)-ionen, Ammoniumionen oder Hydroniumionen ausgewählt werden. Neben Calcium und Natrium bevorzugte Ionen sind Lithium-, Magnesium-, Aluminium-, Cer-, Lanthan-, Praseodym- und Neodymionen.
  • Der bindemitteifreie Zeolith liegt geeigneterweise in Teilchenform vor. Die Teilchen können von beliebiger Form sein, sind aber vorzugsweise im Allgemeinen kugelförmig.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stoffübertragungszone des bindemittelfreien Zeolithen um mindestens 10% und vorzugsweise mindestens 20% kürzer als die eines Zeolithen mit einem Bindemittel, aus dem der bindemittelfreie Zeolith hergestellt wird.
  • Geeignete gasförmige Gemische mit Kohlendioxid, deren Anteil mittels der Erfindung gesenkt werden soll, umfassen Luft, Erdgas, ein Kohlenwasserstoffgas oder ein Gemisch aus solchen Gasen und synthetischem Gas sowie Gasgemische, die Kohlendioxid und mindestens eines von Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Methan, Wasserstoff oder einem Inertgas, z. B. Argon und Helium, umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gasgemisch Luft, und das Gemisch, in dem Kohlendioxid und/oder N2O verringert wurde, wird einem nachgeschalteten Verfahren der kryogenen Trennung unterzogen, vor allem für die Gewinnung von Sauerstoff und/oder Stickstoff.
  • Wenn Wasser im Gasgemisch vorhanden ist, wird das Gemisch vorteilhafterweise mit einem Trocknungsmittel in Kontakt gebracht, um das Wasser zu entfernen. Wünschenswert ist die Entfernung des Wassers vor dem Adsorptionsschritt zur Entfernung von Kohlendioxid und/oder N2O. Geeignete Trocknungsmittel umfassen Aluminiumoxid, Kieselgel, imprägniertes Aluminiumoxid sowie Zeolithen vom Typ A und Typ X.
  • Die Menge an Kohlendioxid beträgt weniger als 1000 ppm und insbesondere weniger als 400 ppm.
  • Das Verfahren zur Entfernung von CO2 und/oder N2O kann mit einem einzigen Bett oder Adsorptionsmittei betrieben werden, wird aber vorzugsweise unter Einsatz von mindestens zwei parallelen Betten durchgeführt, damit es zyklisch mit Adsorption und Desorption betrieben werden kann, wobei die Betten außerhalb der Phase zyklisch betrieben werden, um einen pseudo-kontinuierlichen Gasstrom aus dem Verfahren bereitzustellen.
  • Das Gasgemisch wird geeigneterweise bei einer Temperatur von –50 bis 80°C, vorzugsweise 0 bis 50°C, insbesondere 1 bis 40°C in die Adsorptionsstufe eingeführt. Der Druck des Gasgemischs beträgt geeigneterweise 1 und vorzugsweise 2 bis 30 bar absolut (bara), stärker bevorzugt 2 bis 15 bara. Die Regeneration erfolgt bei einer Temperatur über der Adsorptionstemperatur des Bettes, geeigneterweise bei einer Temperatur von 80 bis 400°C. Geeigneterweise beträgt der Regenerationsdruck 0,1 bis 30 bara und vorzugsweise 0,5 bis 10 bara. Besonders wünschwert ist, dass der Regenerationsdruck 50% des Druckes des Beschickungsgases nicht übersteigt.
  • In einem zyklischen Verfahren wird das Gasgemisch in eine Adsorptionszone eingeleitet und mit dem bindemittelfreien Zeolithen in Kontakt gebracht, geeigneterweise in Form eines Bettes, ggfs. mit einem vorgeschalteten Schritt, in dem das Gemisch mit einem Trocknungsmittel in Kontakt gebracht wird. Wenn das Gemisch durch den bindemittelfreien Zeolithen fließt, wird Kohlendioxid und/oder N2O absorbiert, und das verbleibende Gas fließt dann aus der Adsorptionszone. Während des Verfahrens bildet sich im Zeolithen eine Front aus Kohlendioxid oder N2O im Zeolithen und durchquert diesen. Wie gewünscht, wird der Adsorptionsschritt dann beendet, und die Adsorptionszone wird erwärmt und ggfs. einem verringerten Druck ausgesetzt. Während der Regeneration wird die Adsorptionszone gespült. Vorzugsweise umfasst das Spülgas ein Gas, das aus einem nachgeschalteten Verfahren recycelt wurde, z. B. einen stickstoffreichen Abgasstrom aus einer Lufttrennungsanlage.
  • Vorzugsweise wird das Verfahren mit einem Molfluss des Regenerationsgases zum gasförmigen Beschickungsgemisch von 0,1 zu 0,8, stärker bevorzugt 0,2 zu 0,5 betrieben.
  • Geeigneterweise wird das gasförmige Gemisch über einen Zeitraum von 60 bis 6000 Minuten und vorzugsweise 70 bis 300 Minuten in die Adsorptionszone eingespeist.
  • Der Adsorptionsschritt wird auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Weise durchgeführt.
  • Vorzugsweise werden das Trocknungsmittel und der bindemittelfreie Zeolith in einem Verbundbett angeordnet, wobei sich der Zeolith unterhalb des Trocknungsmittels befindet, obwohl auf Wunsch auch getrennte Betten verwendet werden können.
  • Die Erfindung wird durch die folgenden Vergleichsbeispiele näher erläutert und durch das folgende, nicht einschränkende Beispiel veranschaulicht.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Ein Beschickungsgas aus Luft mit 400 ppm CO2 und einer Fließgeschwindigkeit von 146 kg Mol/m2/h (30 lb Mol/ft2/h) wurde bei 25°C, 6,89 × 105 N/m3 Überdruck (100 psig) durch einen bindemittelfreien 13X-Zeolithen (Zeolith F9-HA, erhältlich von der Tosoh Corporation) geleitet. Dieses Verfahren wurde mit einem gebundenen (18% Bindemittel) 13X-Zeolith, dem Vorläufer, aus dem der bindemittelfreie 13X-Zeolith hergestellt wurde, wiederholt. Beide Proben hatten einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,7 mm. Die Daten wurden in einer Säule von 2,54 cm (1 Inch) Durchmesser und 1,83 m (6 Fuß) Länge erhalten. Vor den Experimenten wurde der Zeolith durch Kontakt mit strömendem N2 bei 200°C regeneriert. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass das bindemittelfreie Material eine kürzere Stoffübertragungszone hat.
  • Tabelle 1 zeigt die CO2-Stoffübertragungszonen, die man sowohl mit gebundenem (18 Gew.-% Bindemittel) als auch bindemittelfreiem 13X Zeolith bei 25°C, 6,89 × 105 N/m2 Überdruck (100 psig) erhielt. Tabelle 1
    Adsorptionsmittel CO2-Stoffübertragungszone
    13X mit 18 Gew.-% Bindemittel 198 mm 7,8 Inches
    Bindemittelfreier 13X 124 mm 4,9 Inches
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Es wurde auch festgestellt, dass die CO2-Kapazität des bindemittelfreien 13X überraschend höher ist als die des ein Bindemittel enthaltenden 13X. Die CO2-Kapazität des gebundenen (18 Gew.-% Bindemittel) und bindemittelfreien 13X von Beispiel 1 wurde durch eine Durchschlagsmessung bestimmt. Die verwendete Säule hatte 203 mm (8 Inches) Durchmesser und war 1,83 (6 Fuß) lang. Die Beschickungsbedingungen waren 27°C, 6,00 × 105 N/m2 Überdruck (87 psig) mit einem Luftbeschickungsgas mit 370 ppm CO2 und einer Fließgeschwindigkeit von 190 kg Mol/m2/h (39 lb Mol/ft2/h). Beide Proben hatten einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,7 mm. Vor den Experimenten wurde der Zeolith bei 200°C in strömendem N2 regeneriert. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse dieses Tests. Tabelle 2
    Adsorptionsmittel Relative Adsorptionskapazität des Adsorptionsmittels für CO2 (mMol/g insgesamt) Relative CO2-Kapazität des Zeolithen (mMol/g Zeolith)
    13X mit 18 Gew.-% Bindemittel 1,0 1,0/0,82 = 1,22
    Bindemittelfreier 13X 1,55 1,55
  • Diese Ergebnisse zeigen, dass selbst wenn bei der Kapazität des gebundenen Zeolithen die Gegenwart des Bindemittels berücksichtigt wird (letzte Spalte in Tabelle 2), hat das bindemittelfreie Material unerwartet trotzdem eine erheblich höhere CO2-Kapazität als 13X wie synthetisiert. Das erste Verhältnis (1,55:1) übersteigt in diesem Fall das zweite Verhältnis (1,22:1) um (1,55 – 1,22)·100/1,22%, d. h. 27%.
  • Vergleichsbeispiel 3
  • Es wurde auch festgestellt, dass bindemittelfreier NaX gegenüber gebundenem 13X eine verbesserte N2O-Kapazität hat, selbst wenn die Gegenwart des Bindemittels berücksichtigt wird. N2O ist eine in Spuren in der Luft vorhandene Verunreinigung, die sich im flüssigen Sauerstoffteil der kryogenen Säule konzentrieren und ausfrieren kann, so dass in der Anlage Probleme in Bezug auf den Betrieb oder die Sicherheit auftreten können. Die N2O-Adsorptionsisotherme von NaX mit Bindemittel (18 Gew.-%) und ohne Bindemittel wurde bei 30°C gemessen. Die Ergebnisse der Messung der Isotherme sind in Tabelle 3 aufgeführt. Tabelle 3
    Adsorptionsmittel Relative Henry'sche Konstante des Adsorptionsmittels für N2O (mMol/g insgesamt) Relative Henry'sche Konstante des Zeolithen für N2O (mMol/g Zeolith/atm)
    13X mit 18 Gew.-% Bindemittel 1,0 1,0/0,82 = 1,22
    Bindemittelfreier 13X 1,52 1,52
  • Die Ergebnisse in Tabelle 3 zeigen, dass die N2O-Kapazität des bindemittelfreien 13X größer ist als die des gebundenen Materials, selbst wenn die Menge des inerten Bindemittels berücksichtigt wird, wie auch im Fall von CO2 festzustellen ist. Hier übersteigt das erste Verhältnis das zweite um 24,6%. Auch dieses Ergebnis ist ziemlich unerwartet. Die verbesserte N2O-Kapazität macht das bindemittelfreie Material besser geeignet für die Entfernung von N2O aus der Luft.
  • Beispiel 4
  • Experimente zur Beurteilung des CO2-Durchschlags wurden in dem gleichen Apparat und bei den gleichen Beschickungsbedingungen am Einlass durchgeführt wie in Beispiel 2. Bindemittelfreier Zeolith 13X des in Beispiel 2 verwendeten Typs, aber mit einem Teilchendurchmesser von 3,2 wurde in diesem Experiment verwendet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt. Tabelle 4
    Adsorptionsmittel Teilchendurchmesser (mm) Stoffübertragunszone (mm) Relative Zeit bis zum Durchschlagen von CO2
    13X mit 18 Gew.-% Bindemittel 1,7 132 1,0
    Bindemittelfreier 13X 3,2 224 1,13
  • Der Vorteil bei der Verwendung von Adsorptionsmittelteilchen mit einem größeren Durchmesser in Festbettadsorbern besteht darin, dass im Adsorber ein geringerer Druckabfall eintritt. Bei einem geringeren Druckabfall können vergleichweise höhere Beschickungsfließgeschwindigkeiten (und daher eine höhere Produktivität der Anlage) erzielt werden, ehe die nachteilige Fluidisierung des Adsorptionsmittelbettes eintritt, welche die Bildung von Staub und Reibung verursachen kann.
  • Jedoch erfordern größere Adsorptionsmittelteilchen eine längere Stoffübertragungszone, um Verunreinigungen zu entfernen. Die Ergebnisse in Tabelle 4 zeigen, dass das bindemittelfreie 13X-Adsorptionsmittel mit großem Durchmesser verwendet werden kann, wodurch die Zeit bis zum Durchschlagen von CO2 im Vergleich zur Verwendung eines gebundenen 13X-Zeolithen überraschend länger wird.
  • Ein praktischer Vorteil dieses überraschenden Ergebnisses besteht darin, dass bindemittelfreier 13X mit großem Teilchendurchmesser in Adsorbern verwendet werden kann, die eigentlich für gebundenen 13X mit kleinerem Teilchendurchmesser bestimmt sind, um die Fließgeschwindigkeiten der Beschickung und damit auch des Produktes zu steigern. Trotz einer längeren Stoffübertragungszone aufgrund des gestiegenen Teilchendurchmessers ist der bindemittelfreier 13X mit großen Teilchen durch eine längere Zeit in der Leitung und einen geringeren Druckabfall im Bett gekennzeichnet.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Verringerung der Menge an Kohlendioxid in einem gasförmigen Gemisch, welches Kohlendioxid und mindestens eine andere gasförmige Komponente enthält, wobei die Menge an Kohlendioxid in dem gasförmigen Gemisch weniger als 1.000 ppm ist, welches umfasst: das In-Kontakt-Bringen des gasförmigen Gemischs und eines bindemittelfreien Zeolithen vom Na-X-Typ mit einer Teilchengröße von mindestens 2 mm und nicht mehr als 4 mm, einem Verhältnis von Silizium zu Aluminium von mindestens 1,2 und in dem mindestens 90% der austauschbaren Kationen Natrium sind, wobei der bindemittelfreie Zeolith durch Erzeugen eines ein Bindemittel umfassenden Zeolithen und Umwandeln des Bindemittels zu Zeolith, um die Menge des Bindemittels zu verringern, erhältlich ist, wobei ein erstes Verhältnis, das zwischen der Adsorptionskapazität des bindemittelfreien Zeolithen für Kohlendioxid zur Adsorptionskapazität des ein Bindemittel enthaltenden Zeolithen vor der Verringerung der Bindemittelmenge bestimmt wird, größer ist als ein zweites Verhältnis, das zwischen der Menge an Zeolith im bindemittelfreien Zeolithen in Gew.-% zur Menge an Zeolith im Zeolith mit Bindemittel vor der Verringerung der Bindemittelmenge bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das gasförmige Gemisch Luft ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Menge an Kohlendioxid verringert ist und die Stoffübergangszone des bindemittelfreien Zeolithen für Kohlendioxid um mindestens 10% kürzer ist als die des Zeolithen mit Bindemittel, aus dem der bindemittelfreie Zeolith hergestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Stoffübergangszone des bindemittelfreien Zeolithen für Kohlendioxid um mindestens 20% kürzer ist als die des Zeolithen mit Bindemittel, aus dem der bindemittelfreie Zeolith hergestellt wird.
  5. Verfahren zur Verringerung der Menge an N2O vorhanden als eine Spurenverunreinigung in Luft, welches umfasst: das In-Kontakt-Bringen der Luft und eines bindemittelfreien Zeolithen vom Na-X-Typ mit einer Teilchengröße von mindestens 2 mm und nicht mehr als 4 mm, einem Verhältnis von Silizium zu Aluminium von mindestens 1,2 und in dem mindestens 90% der austauschbaren Kationen Natrium sind, wobei der bindemittelfreie Zeolith durch Erzeugen eines ein Bindemittel umfassenden Zeolithen und Umwandeln des Bindemittels zu Zeolith, um die Menge des Bindemittels zu verringern, erhältlich ist, wobei ein erstes Verhältnis, das zwischen der Adsorptionskapazität des bindemittelfreien Zeolithen für N2O zur Adsorptionskapazität des ein Bindemittel enthaltenden Zeolithen vor der Verringerung der Bindemittelmenge bestimmt wird, größer ist als ein zweites Verhältnis, das zwischen der Menge an Zeolith im bindemittelfreien Zeolithen in Gew.-% zur Menge an Zeolith im Zeolith mit Bindemittel vor der Verringerung der Bindemittelmenge bestimmt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Stoffübergangszone des bindemittelfreien Zeolithen für N2O um mindestens 20% kürzer ist als die des Zeolithen mit Bindemittel, aus dem der bindemittelfreie Zeolith hergestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das gasförmige Gemisch Luft ist, welches außerdem umfasst: einen vorgeschalteten Schritt zur Verringerung der Wassermenge in der Luft, umfassend das In-Kontakt-Bringen der Luft mit einem Trocknungsmittel, um Wasser daraus zu entfernen; sowie einen nachgeschalteten Schritt, umfassend das Leiten der an Kohlendioxid und Wasser abgereicherten Luft zu einem kryogenen Trennverfahren, bei dem mindestens eine der Komponenten der an Kohlendioxid und Wasser abgereicherten Luft zurückgewonnen wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das erste Verhältnis um mindestens 2,5% größer ist als das zweite Verhältnis.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das erste Verhältnis um mindestens 10% größer ist als das zweite Verhältnis.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das erste Verhältnis um mindestens 20% größer ist als das zweite Verhältnis.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Menge an Bindemittel im Zeolithen nach der Verringerung der Bindemittelmenge zur Herstellung eines bindemittelfreien Zeolithen nicht größer als 2 Gew.-% des Zeolithen ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, bei dem der bindemittelfreie Zeolith eine Teilchengröße von 2 bis 3,5 mm hat.
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