SE507129C2 - Gasadsorberande element och förfarande för dess framställning - Google Patents

Description

507 'F29 vattenmolekyler. Bensen har t ex en molekyldiameter av 6,7 Å och cyklohexan en molekyldiameter av 6,1 Å. Zeoliter kan därför ad- sorbera och avskilja enbart vatten men icke enbart ångor av orga- niska lösningsmedel eller illaluktande gaser i blandning med vat- tenånga. Vattenånga adsorberas sålunda i första hand, och adsorp- tionen av ångor av organiska lösningsmedel eller illaluktande gaser hämmas av de i första hand adsorberade vattenmolekylerna.

När en processluft har en hög absolut fuktighet, kan därför zeo- liter icke effektivt adsorbera och avskilja ångor av organiska lösningsmedel eller illaluktande material.

Aktivt kol är en hydrofob adsorbent som företrädesvis adsor- berar icke-polära molekyler, såsom kolväten. Aktivt kol är emel- lertid lättantändligt och kan antändas när man för reaktivering använder varmluft med en temperatur över 130°C. Några typer av adsorberade lösningsmedel alstrar dessutom högt adsorptionsvärme, varför det adsorberande elementet riskerar att antändas. Ett så- dant element är ytterst svårt att använda. Vid regenerering av ett sådant element, vars aktivitet har minskat genom adsorption av olja, etc efter användning under en viss tidsperiod, erfordras dessutom regenerering vid hög temperatur, omkring 300°C. Det av aktivt kol framställda elementet har emellertid den nackdelen att varmluft icke kan användas vid sådan högtemperaturregenerering, utan överhettad vattenånga måste användas för regenereringen.

Föreliggande uppfinning avser ett gasadsorberande element, vilket såsom adsorptionsmedel innehåller en hydrofob zeolit med hög kiseldioxidhalt. Elementet är format till ett block med många små kanaler sträckande sig från ena ändytan till den andra, och zeoliten med hög kiseldioxidhalt är anbragt på ytan av de små kanalerna. Det gasadsorberande elementet enligt föreliggande upp- finning har dålig förmåga att adsorbera vattenånga i inerta gaser, såsom luft, innehållande vattenånga samt ångor av orga- niska lösningsmedel och/eller illaluktande material, under det att elementet effektivt adsorberar ångor av organiska lösnings- medel och illaluktande material.

Zeoliters sammansättning anges vanligen med formeln xM2/n O ' Al203 ' ySiO2 ' zH20, där M betecknar en alkalimetall eller en alkalisk jordartsmetall och n är metallens valens, och där y betecknar ett tal som är lika med eller större än 1, van- * 507 129 ligen 1-10. Adsorbenten Zeolum A-4 från Toyo Soda Co., Ltd., som är en zeolit av typen 4A, har exempelvis sammansättningen (1,0 i o,2)Na2o - A12o3 - (Las .f o,s)sio2 - znzo. En zeolit med så hög kiseldioxidhalt att värdet på y är större än 8 uppvisar hydrofoba egenskaper. En sådan zeolit har dålig förmåga att ad- sorbera högpolära ämnen, såsom vattenmolekyler, men den har god förmåga att adsorbera icke-polära eller lågpolära ämnen, såsom ångor av organiska lösningsmedel och illaluktande ämnen.

Det finns olika metoder för framställning av hydrofoba zeo- liter med hög kiseldioxidhalt. Enligt en metod dealuminiseras en vanlig zeolit med ett värde på y av 1-6. Enligt en annan metod genomföres en direkt syntes utgående från Na20, Al2Q3, Si02 och H20. Såsom exempel på dealuminiseringsmetoder kan man nämna följ- ande. (1) Erionit (y = 3), mordenit (y = 5) eller L-zeolit (y = 6) lakas i mineralsyra och upphettas. (2) Zeolit av typ Y (y = 3-6) eller mordenit (y = 5) värme- behandlas i närvaro av fosgengas. (3) Zeolit av typ Y ( M = NH4 eller H; y = 3-6) brännes, företrädesvis i närvaro av vattenånga. (4) Zeolit av typ A (y = 2), zeolit av typ X (y = 2-3) eller zeolit av typ Y (y = 3-6) bringas i kontakt med kiseltetraklorid vid hög temperatur, varvid aluminium i zeoliten delvis ersättes med kisel enligt reaktionen SiCl4 + Al2O3 -9 Si02 + A1Cl3.

Den hydrofoba zeolit med hög kiseldioxidhalt som kan använ- das enligt föreliggande uppfinning bör ha ett värde på y som är större än ca 8. Oberoende av vilken av ovanstående framställ- ningsmetoder som användes är det naturligtvis nödvändigt att molekylsilens mikroporer har en diameter som är större än ca 3 Å.

Enligt föreliggande uppfinning formas ett gasadsorberande element till ett block med många små kanaler sträckande sig från ena ändytan till den andra, dvs ett element med bikakestruktur.

I ett dylikt element kan den hydrofoba zeoliten med hög kisel- dioxidhalt effektivt adsorbera och avskilja ångor av organiska lösningsmedel och illaluktande ämnen. Enligt en metod för form- ning av ett block kan den ovan nämnda zeoliten med hög kisel- dioxidhalt exempelvis blandas med ett oorganiskt bindemedel, såsom kaolinit, varpå blandningen formas till en bikakestruktur 507 129 genom strängsprutning, pressformning, etc. Enligt en annan metod formas ett bärarark, t ex av papper eller tyg, till en bikake- struktur, och pulver av zeolit med hög kiseldioxidhalt bringas att häfta vid bärararket antingen före eller efter formningen.

Ett element framställt enligt den sistnämnda metoden har en större kontaktyta mellan zeoliten med hög kiseldioxidhalt och processgas, varför zeoliten utnyttjas mera effektivt. Ett poröst bärarark bildat av fibrer, såsom papper, tyg eller fibertyg, är mera fördelaktigt än ett icke-permeabelt bärarark med slät yta, såsom ett ark av metall eller plast, eftersom det porösa arket kan uppbära zeoliten med hög kiseldioxidhalt icke endast på ark- ytan utan också i mellanrummen mellan fibrerna. Det är särskilt lämpligt att använda skrymmande ark av fibrer med högt öppnings- förhållande. Desorption eller reaktivering är nödvändig vid gas- adsorption. För desorption kan man använda tryckväxlingsmetoden, som icke kräver någon upphettning, men desorption eller reaktive- ring genom upphettning kan genomföras med enklare utrustning. Vid reaktivering genom upphettning bör elementet vara värmebeständigt och icke antändbart, och därför användes papper av oorganiska fibrer som icke kan antändas, såsom papper av keramiska fibrer, mineralfibrer, slaggfibrer eller glasfibrer eller papper huvud- sakligen bestående av en blandning av sådana fibrer. Det är icke lämpligt att använda asbestfibrer, som också är en typ av brand- säkra oorganiska fibrer, eftersom asbest medför hälsorisker.

När det ovan beskrivna papperet huvudsakligen bestående av oorganiska fibrer användes för framställning av det gasadsorbe- rande elementet, är det lämpligt att bränna papperet för avlägs- nande av de organiska beståndsdelar som är närvarande i papperet.

Man kan också framställa icke antändbart papper genom blandning av pulver av zeolit med hög kiseldioxidhalt.

Bikakestrukturen har företrädesvis en våglängd l av 2,5-4,5 mm och en våghöjd h av 1,0-3,0 mm. När våglängden och våghöjden är alltför stora, minskar det gasadsorberande elementets totala yta, och följaktligen försämras effektiviteten av gasadsorptio- nen. När å andra sidan våglängden och våghöjden är alltför små, ökar processluftens och reaktiveringsluftens tryckfall, och följ- aktligen är ekonomisk drift icke möjlig.

Uppfinningen beskrives närmare nedan under hänvisning till 63507129 den bifogade ritningen, på vilken fig 1 är en perspektivvy av en typ av gasadsorberande element enligt föreliggande uppfinning; fig 2 är en perspektivvy av ett ensidigt korrugerat ark; fig 3 är en perspektivvy av en typ av gasadsorberande apparat, varvid några delar är avlägsnade för tydlighetens skull; fig 4 är ett diagram som visar effektiviteten av ett gasadsorberande element enligt föreliggande uppfinning som funktion av processluftens fuktighet vid inloppet; fig 5 är ett diagram som visar effektivi- teten av ett jämförande gasadsorberande element som funktion av processluftens fuktighet vid inloppet; fig 6 är ett diagram som visar effektiviteten av ett gasadsorberande element enligt före- liggande uppfinning som funktion av elementets rotationshastig- het; och fig 7 är ett diagram som visar effektiviteten av ett gasadsorberande element enligt föreliggande uppfinning som funk- tion av de små kanalernas längd.

I fig 3 betecknar siffran 4 ett gasadsorberande element, siffran 5 betecknar ett hölje, siffran 6 betecknar ett separeran- de organ, siffran 7 betecknar en processzon, siffran 8 betecknar en reaktiveringszon, siffran 9 betecknar en kuggväxelmotor, siff- ran 11 betecknar processluft, och siffran 12 betecknar reaktive- ringsluft.

Föredragna utföringsformer av uppfinningen beskrives nedan.

Till keramiska fibrer av typen kiseldioxid-aluminiumoxid sattes en liten mängd organiska syntetiska fibrer för framställ- ning av lågdensitetspapper med en skrymdensitet av ca 0,3-0,45 g/cm3 (ytvikt ca 60-150 g/m2) och med en tjocklek av ca 0,10- -0,30 mm. Ett 400 mm brett papper korrugerades till en våglängd av 3,4 mm och en våghöjd av 1,8 mm. Ett ensidigt korrugerat ark framställdes genom att ett plant papper 1 och ett korrugerat papper 2 bands till varandra längs det korrugerade papperets åsar med hjälp av ett bindemedel bestående av en blandning av syntetiskt harts, såsom polyvinylacetat, och oorganiskt binde- medel (se fig 2). Det korrugerade arket lindades omkring en kär- na (se fig 1) och formades till en cylinder med en diameter av 320 mm och med många små kanaler 3 sträckande sig från den ena ändytan till den andra. Såsom zeolit med hög kiseldioxidhalt an- vändes zeoliten xNa20 ° Al203 ' ySi02 ' zH2O (x = 1, y = 200, z = 9; mikroporernas diameter är ca 10 Å) (zeolit DAY från 5 0 7 'F29 Degussa Aktiengesellschaft, Tyskland). Denna zeolit framställes genom att zeoliten NaY, dvs xNa2O ' Al203 ° ySi02 ' zH2O (x = 1, y = 5, z = 9; mikroporernas diameter är ca 10 Ä) behandlas med kiseltetraklorid för partiellt utbyte av Al2O3 mot Si02. zeoliten finpulveriserades och dispergerades i en hydrosol av antingen kiseldioxid eller aluminiumoxid, och den ovan beskrivna formade kroppen nedsänktes i den erhållna solen, varvid zeoliten med hög kiseldioxidhalt fastnade i öppningarna mellan fibrerna och på ytan av papperen 1 och 2 av oorganiska fibrer med hjälp av fina partiklar av kiseldioxid eller aluminiumoxid såsom bindemedel.

Den impregnerade kroppen torkades därefter och brändes under 3-4 timmar vid 450°C för dehydratisering av zeoliten och bildning av ett gasadsorberande element. Den mängd zeolit med hög kiseldi- oxidhalt som häftade vid papperet av oorganiska fibrer uppgick till ca 35 viktprocent.

I fig 3 visas en gasadsorberande apparat innehållande ett sådant cylindriskt gasadsorberande element som visas i fig 1.

Det gasadsorberande elementet 4 roteras i ett hölje 5, som me- delst ett separerande organ 6 är uppdelat i en processzon (gas- adsorberande zon) 7 och en reaktiveringszon 8. Elementet 4 rote- ras med hjälp av en kuggväxelmotor 9 och en drivrem 10. En pro- cessluft 11 ledes in i processzonen 7, och varm reaktiveringsluft 12 ledes in i reaktiveringszonen 8. Härvid adsorberas aktiva be- ståndsdelar i processluften 11, såsom ångor av organiska lös- ningsmedel och illaluktande material, och en ren luft 13 erhål- les. Siffran 14 betecknar en remskiva, siffran 15 betecknar en spännrulle, siffran 16 betecknar en gummitätning, och siffran 17 betecknar en upphettningsanordning för reaktiveringsluften.

I fig 4 visas procentuellt avlägsnande av olika lösnings- medel som funktion av processluftens absoluta fuktighet vid in- loppet vid användning av ett gasadsorberande element enligt upp- finningen. Försöksbetingelserna var följande. Det cylindriska elementet 4 hade en längd av 400 mm, och det roterades med en hastighet av 10 varv per timme. Förhållandet mellan volymen re- aktiveringsluft och volymen processluft var 1:10. Processluftens temperatur vid inloppet var 25i2°C, både processluften och reak- tiveringsluften hade en hastighet av 2 m per sekund, och reakti- veringsluftens temperatur vid inloppet var 150i2°C. Processluften :507 129 innehöll antingen 550 ppm toluen eller 1100 ppm xylen eller 760 ppm isopropylalkohol eller 340 ppm n-butylacetat. Processluftens absoluta fuktighet varierades mellan 2 och 19 g/kg.

Avlägsnandet av lösningsmedel i procent beräknas genom att skillnaden mellan halten lösningsmedel i processluften vid inlop- pet och halten lösningsmedel i processluften vid utloppet divide- ras med halten lösningsmedel i processluften vid inloppet, varpå kvoten multipliceras med 100. Det procentuella avlägsnandet av lösningsmedel förändras icke när koncentrationen av lösningsmedel i processluften vid inloppet ändras.

Såsom jämförelse visas i fig 5 resultat av ett liknande för- sök, där lösningsmedel avlägsnades med användning av ett gas- adsorberande element framställt på samma sätt som har beskrivits ovan men med användning av Zeolum F-9 (mikropordiameter 10 Å) från Toyo Soda Co., Ltd., som är ett exempel på en kommersiell hydrofil zeolit. Såsom framgår av resultaten i fig 5 var det pro- centuella avlägsnandet av alla provade organiska lösningsmedel högre än 90% när den absoluta fuktigheten av processluften vid inloppet var under 8 g/kg', men när processluftens absoluta fuk- tighet vid inloppet blev högre, så minskade snabbt det procen- tuella avlägsnandet av lösningsmedel. Detta beror på att den an- vända zeoliten var hydrofil och därför adsorberade vattenångan i luften lättare än ångan av organiskt lösningsmedel. När man där- emot använde zeoliten med hög kiseldioxidhalt enligt föreliggande uppfinning, var det procentuella avlägsnandet av alla provade organiska lösningsmedel högre än 90% oberoende av processluftens absoluta fuktighet vid inloppet, såsom framgår av fig 4. Försök genomfördes även under andra betingelser. Sålunda varierades pro- cessluftens temperatur vid inloppet mellan 5 och 50°C, luft- hastigheten varierades mellan 1 och 3 m per sekund, reaktive- ringsluftens temperatur vid inloppet varierades mellan 100 och 160°C, halten organisk lösningsmedelsånga varierades mellan 20 och 2700 ppm, och även andra typer av organiska lösningsmedel an- vändes. Det procentuella avlägsnandet av lösningsmedel visade sig härvid i samtliga fall vara 90-100%.

Fig 6 är ett diagram som visar det procentuella avlägsnandet av lösningsmedel som funktion av det gasadsorberande elementets rotationshastighet. Det ovan beskrivna elementet enligt uppfin- 507 1:29 ningen användes i apparaten enligt fig 3. Avlägsnandet av toluen bestämdes under följande betingelser. Processluftens temperatur vid inloppet var 15°C, processluften och reaktiveringsluften hade en hastighet av 2 m per sekund, reaktiveringsluftens temperatur vid inloppet var 140°C, processluftens absoluta fuktighet vid in- loppet var antingen 5,0 g/kg eller 16,5 g/kg, halten lösnings- medelsånga i processluften vid inloppet var 500 ppm toluen, och elementets rotationshastighet varierades mellan 6 och 26 varv per timme. Av de i fig 6 visade resultaten framgår att det procentu- ella avlägsnandet av lösningsmedel varierar med elementens rota- tionshastighet, varvid den lämpligaste rotationshastigheten för det i försöket använda elementet (dvs den hastighet som gav det bästa avlägsnandet av lösningsmedel) var ca 12 varv per timme.

Man har också bestämt avlägsnandet av lösningsmedel som funktion av de små kanalernas längd. Härvid framställdes ett element med användning av papper av oorganiska fibrer med en tjocklek av 0,20 mm. Efter impregnering med zeolit på ovan be- skrivet sätt korrugerades detta papper till en våglängd av 3,4 mm och en våghöjd av 1,8 mm. De små kanalernas längd L varierades mellan 100 mm och 500 mm. Elementen användes i en sådan apparat som visas i fig 3. Försöken genomfördes under följande betingel- ser. Processluftens temperatur vid inloppet var 15°C, reaktive- ringsluftens temperatur vid inloppet var 150°C, både processluf- ten och reaktiveringsluften hade en hastighet av 2 m per sekund, processluftens absoluta fuktighet vid inloppet var 15 g/kg, hal- ten lösningsmedelsånga i processluften vid inloppet var 1100 ppm xylen, och elementens rotationshastighet var 15 varv per timme.

I fig 7 visas det procentuella avlägsnandet av xylen som funktion av de små kanalernas längd. Av resultaten framgår att avlägsnan- det av lösningsmedel icke var tillräckligt när de små kanalerna hade en längd av 100-300 mm, under det att avlägsnandet av lös- ningsmedel var högre än 95% när de små kanalerna hade en längd av över ca 400 mm. Eftersom avlägsnandet av lösningsmedel var nästan fullständigt vid en längd av ca 400 mm, är det oekonomiskt att använda små kanaler som är längre än 400 mm.

Ett gasadsorberande element enligt föreliggande uppfinning innehållande en hydrofob zeolit med hög kiseldioxidhalt såsom adsorbent kan adsorbera förhållandevis små mängder ångor av or- *S07 129 ganiska lösningsmedel eller illaluktande ämnen 1 en inert gas, såsom luft, utan att adsorbera den vattenånga som alltid är när- varande i luft. Elementet kan sålunda mycket effektivt adsorbera och avlägsna ångor av organiska lösningsmedel eller illaluktande komponenter i en inert gas, såsom luft, oberoende av gasens fuk- tighet. Eftersom organiska lösningsmedel eller illaluktande kom- ponenter adsorberade av elementet för det mesta kan desorberas vid en temperatur av ca 100-160°C, kan elementet dessutom använ- das i en sådan gasadsorberande apparat av rotationstyp och reak- tiveringstyp som visas i fig 3. Elementet kan sålunda användas för att kontinuerligt adsorbera och avlägsna aktiv gas från en inert gas, såsom luft. När papper eller något annat ark huvud- sakligen bestående av oorganiska fibrer användes för framställ- ning av ett element uppbärande zeolit med hög kiseldioxidhalt, kan såväl detta ark som zeoliten motstå höga temperaturer utan risk för antändning. Brandhärdighetsegenskaperna förbättras yt- terligare genom bränning av det icke antändbara papper som bildar elementet, varvid den lilla mängden organiskt material i papperet avlägsnas genom förbränning. När elementets adsorberande egen- skaper försämras genom adsorption av t ex olja med hög kokpunkt i mikroporerna av zeoliten med hög kiseldioxidhalt, kan varmluft med en temperatur av ca 350°C ledas genom elementet för avlägs- nande av oljan och regenerering av elementet.

Vid framställningen av elementet enligt föreliggande uppfin- ning formas ett bärarark av exempelvis icke antändbart papper till en bikakestruktur, som impregneras med pulver av zeolit med hög kiseldioxidhalt. Detta förfarande kan genomföras på ett en- kelt och ekonomiskt sätt utan behov av någon speciell utrustning.

Den största delen av zeoliten med hög kiseldioxidhalt i det gas- adsorberande elementet funktionerar effektivt såsom adsorbent.

När man såsom bärare använder material bestående av fibrer med många öppningar, såsom icke antändbart papper, särskilt lågdensi- tetspapper av oorganiska fibrer, fastnar zeoliten med hög kisel- dioxidhalt icke endast på det använda papperets yta utan även i öppningarna mellan papperets fibrer, varigenom mängden anbragt zeolit ökas.

Claims (7)

507 1:29 i fo P a t e_n t k r a v

1. Gasadsorberande element format till ett block med många små kanaler sträckande sig från den ena ändytan till den andra, k ä n n e t e c k n a t a v att pulver av hydrofob zeolit med hög kiseldioxidhalt är anbragt på de små kanalernas väggar, var- vid den hydrofoba zeoliten har formeln xMZInO-AlZOfySiOZ-zI-IZO, där M betecknar en alkalimetall eller en alkalisk jordartsmetall och n är metallens valens, och där y, dvs molförhållandet mellan kisel- dioxid och aluminiumoxid, är större än cirka 8.

2. Element enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att zeoliten med hög kiseldioxidhalt är en zeolit från vilken det mesta av aluminiumkomponenten har avlägsnats.

3. Förfarande för framställning av ett gasadsorberande element, k ä n n e t e c k n a t a v att papper vars huvudkomponent ut- göres av oorganiska fibrer lamineras till ett block med många små kanaler, och att pulver av hydrofob zeolit med hög kiseldioxidhalt anbringas på kanalernas väggar och i mellanrummen mellan fibrerna, varvid den hydrofoba zeoliten har formeln xMZ/“O-Alzøfysiøz-ZHZO, där M betecknar en alkalimetall eller en alkalisk jordartsmetall och n är metallens valens, och där y, dvs molförhållandet mellan kiseldioxid och aluminiumoxid, är större än cirka 8.

4. Förfarande enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t a v att zeoliten med hög kiseldioxidhalt är en zeolit från vilken huvud- delen av aluminiumkomponenten har avlägsnats.

5. Förfarande enligt krav 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a t a v att papperet är ett lågdensitetspapper.

6. Förfarande enligt något av kraven 3-5, k ä n n e t e c k - n a t a v att papperet av oorganiska fibrer brännes antingen före eller efter formningen av blocket.

7. Förfarande enligt något av kraven 3-6, k ä n n e t e c k - n a t a v att papperet av oorganiska fibrer har en tjocklek av cirka 0,10-0,30 mm, att papperet korrugeras till en våglängd av 2,5-4,5 mm och en våghöjd av 1,0-3,0 mm, och att de små kanalerna har en längd av 100-500 mm.