Werner Käst

Adsorption aus der Gasphase Ingenieurwissenschaftliche Grundlagen und technische Verfahren

VCH

Inhalt

Liste der verwendeten Symbole 1 1.1 1.2 1.3 1.4

Einführung Begriff der Adsorption Geschichtliche Entwicklung der Adsorption Bezeichnungen, Zustand der Phasengrenzen, allgemeine Beschreibung des Sorptionsgleichgewichts Freiheitsgrade des Adsorptionssystems Literatur

XIII 1 1 2 3 6 7

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

Technische Adsorbentien Allgemeines Aktivkohle Kieselgel Aktivtonerde Zeolithische Molekularsiebe Kohlenstoff-Molekularsiebe Weitere Adsorbentien Literatur

9 9 10 13 14 15 18 20 20

3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.3 3.4 3.5 3.5.1 3.5.2 3.6

Gleichgewicht bei der Adsorption Monomolekulare Belegung Ableitung nach Langmuir Diskussion der Langmuir-Gleichung Darstellung der Langmuir-Gleichung Die Temperaturabhängigkeit der monomolekularen Belegung Die Gleichung von Freundlich Die Gleichung von Dubinin Gleichungen von Brunauer-Emmet-Teller Kapillarkondensation Dampfdruckabsenkung in Kapillaren Porenverteilungskurve Bindungsenergie im Bereich der mehrschichtigen Beladung und der Kapillarkondensation Gleichgewichtsthermodynamik der Einkomponenten-Adsorption Ansatz Adsorptions- oder Bindungsenergie

23 23 23 26 26 27 27 27 29 30 30 31

3.7 3.7.1 3.7.2

33 36 36 38

VIII

3.7.3 3.8 3.9 3.10 3.10.1 3.10.2 3.10.3 3.10.4 3.10.4.1 3.10.4.2 3.10.4.3 3.10.4.4 3.10.5 3.10.5.1 3.10.5.2 3.10.5.3 3.10.5.4 3.10.5.5 3.10.5.6 3.10.5.7 3.10.5.8 3.11

Inhalt

Thermodynamischer Ansatz für die Sorptionsisotherme Theorie der Leerstellenlösung (Vacancy-Solution-Theorie) Adsorptions- und Desorptionshysterese Mehrkomponenten-Adsorption Allgemeines und Darstellung Überblick über die Ansätze zur Beschreibung des Gleichgewichts bei der Mehrkomponenten-Adsorption Halbempirische Gleichgewichtsbeziehungen für die Adsorption von mehreren Komponenten Thermodynamisches Gleichgewicht bei der Adsorption mehrerer Komponenten Gibbs-Duhemsche Gleichung für die adsorbierte Phase Chemisches Potential der adsorbierten Phase Chemisches Potential der Gasphase Thermodynamisches Gleichgewicht Auswertung der Gleichgewichtsbedingungen Verfahren von van Nees Theorie der ideal adsorbierten Lösung (IAST) Analytische Lösung der IAST Graphische Lösung der IAST Theorie der realen adsorbierten Lösung Theorie der Leerstellenlösung (Vacancy-Solution-Theorie) Beispiele für die Berechnung des binären Adsorptionsgleichgewichts, Vergleich von Rechnungen und Messungen Erweiterung auf m-Komponenten Adsorptionskatalyse Literatur

39 41 42 43 43 49 49 53 53 54 55 55 56 56 56 58 60 61 61 61 66 67 68

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10

Stoff- und Wärmetransport im Adsorbens Problemstellung Konvektiver Wärme- und Stoffübergang Strömung in den Poren des Adsorbens Molekularbewegung nach Knudsen in den Poren Freie oder Gasdiffusion Überlagerung der Transportmechanismen in der Gasphase Widerstandsfaktoren nv Transport in der sortierten Phase Aktivierte Spaltdiffusion, Mikroporendiffusion oder interkristalline Diffusion Temperaturabhängigkeit der Transportkoeffizienten Literatur

71 71 71 72 73 74 75 76 78 80 82 83

5 5.1 5.2

Kinetik der isothermen Ad- und Desorption am Einzelkorn Ansätze zur Beschreibung der Kinetik Allgemeine Gleichungen für den instationären Stofftransport unter isothermen Bedingungen Transport und Adsorption in den Makroporen Transport und Adsorption in den Mikroporen

85 85

5.2.1 5.2.2

87 87 90

Inhalt 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

6 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4

7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.7.1 7.7.2 7.8 7.9 7.10

8 8.1 8.2

Konzentrationsabhängigkeit des instationären Stofftransports bei der Adsorption unter isothermen Bedingungen Konzentrationsabhängigkeit des instationären Stofftransports bei der Desorption unter isothermen Bedingungen Grenzfälle der Sorptionskinetik Einfluß des äußeren Stoffübergangs auf die Kinetik Kinetisches Modell des Stofftransports im Adsorbens Adsorption mehrerer Komponenten Literatur

IX

92 96 97 99 99 102 104

Kinetik der nichtisothermen Ad- und Desorption am Einzelkorn Probleme und Ansätze Charakteristische Abhängigkeiten des Temperaturverlaufs im Adsorbens Kopplung von Kinetik und Temperaturänderung anhand experimenteller und rechnerischer Befunde Ad- und Desorption bei näherungsweise linearen Isothermen Änderung des treibenden Potentials bei nichtisothermen Vorgängen Einfluß der Abmessungen des Adsorbenskorns Einfluß der Höhe des Dampfdrucks auf das nichtisotherme Verhalten Einfluß der Steigung und Krümmung der Sorptionsisothermen Grenzfälle der Sorptionskinetik Isotherme Sorption Adiabate Sorption Wärmegehemmte Ad- und Desorption Gemeinsame Darstellung der isothermen und nichtisothermen Sorptionskinetik Literatur

107 107 110

Impuls-, Wärme- und Stoffaustalisch in durchströmten Schüttungen Problemstellung Hohlraumanteil in Schüttungen Hydraulischer Durchmesser in durchströmten Schüttungen Geschwindigkeitsverteilung im Festbett Druckverlust im durchströmten Festbett Wärme- und Stoffübergang "zwischen Fluid und Partikeln in einer durchströmten Schüttung Wärmeleitfähigkeit in Schüttungen Wärmeleitfähigkeit in nicht-durchströmten Schüttungen Wärmeleitfähigkeit durchströmter Schüttungen Wärmeübergang zwischen durchströmter Schüttung und Wand Axiale Dispersion in durchströmten Schüttungen Mehrkornschüttungen Literatur

125 125 125 127 127 130

Durchbruchskurve Differentialgleichungen zur Bestimmung der zeitlichen und örtlichen Konzentrations- und Temperaturfelder im durchströmten Festbett Mittlere Frontgeschwindigkeit

141

112 112 114 114 115 117 118 118 118 119 121 122

132 134 134 135 135 136 138 138

141 144

X

8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.9.1 8.9.2 8.9.3

Inhalt Durchbruchskurven bei Gleichgewicht zwischen Gas und Adsorbens Durchbruchskurve bei linearer Sorptionsisotherme Durchbruchskurve bei irreversibler oder Sättigungsisotherme Durchbruchskurve bei axialer Dispersion ohne Adsorption Constant Pattern Durchbruchskurven bei Mehrkomponenten-Adsorption Durchbruchskurven bei nichtisothermer Adsorption Geschwindigkeit der Temperaturfront Berechnung der Durchbruchskurve bei nichtisothermer Adsorption Dimensionslose Darstellung der nichtisothermen Durchbruchskurve und Auslegungsdiagramme Numerische Methoden zur Berechnung der Durchbruchskurven Überblick über das Differentialgleichungssystem und die numerischen Lösungsverfahren Methode der finiten Differenzen Methode der orthogonalen Kollokation Charakteristikenverfahren Literatur

167 170 170 172 175 177 178

Kontinuierliche Adsorption im Gegenstrom, im Kreuzstrom und in der Wirbelschicht Kontinuierliche Verfahren Adsorption im Gegenstrom-Wanderbett Adsorption im Kreuzstrom-Wanderbett Adsorption in der Wirbelschicht Einstufige Wirbelschicht Mehrstufige Wirbelschichten Das Temperaturfeld bei kontinuierlicher Adsorption Literatur

181 181 181 185 189 189 191 196 197

10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5

Regeneration Verfahren zur Regeneration Regeneration durch Spülen mit adsorptivfreiem Gas Regeneration durch Temperaturwechsel Regeneration durch Druckwechsel Regeneration durch Verdrängung Literatur

199 199 200 203 206 209 211

11 11.1 11.1.1 11.1.2 11.1.2.1 11.1.2.2 11.1.2.3 11.1.2.4 11.1.3 11.1.3.1

Adsorptionsverfahren Gliederung der Verfahren Gliederung nach Problemstellungen Gliederung nach den Trenneffekten Sterischer Effekt Gleichgewichtseffekt Kinetischer Effekt Verbesserung des Trenneffekts durch Präadsorption Gliederung nach der Verfahrenstechnik Festbettverfahren

213 213 213 213 213 214 214 214 214 214

8.10 8.10.1 8.10.2 8.10.3 8.10.4

9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.4.1 9.4.2 9.5

145 147 151 152 153 155 157 157 161

Inhalt 11.1.3.2 11.1.3.3 11.2 11.2.1 11.2.1.1 11.2.1.2 11.2.2 11.2.2.1 11.2.2.2 11.2.3 11.2.3.1 11.2.3.2 11.2.4 11.2.4.1 11.2.4.2 11.2.5 11.2.5.1 11.2.5.2 11.2.6 11.2.6.1 11.2.6.2 11.2.7 11.2.7.1 11.2.7.2 11.3 11.3.1 11.3.1.1 11.3.1.2 11.3.2 11.3.2.1 11.3.2.2 11.3.3 11.3.3.1 11.3.3.2 11.3.4 11.3.4.1 11.3.4.2 11.3.5 11.3.5.1 11.3.5.2 11.3.6 11.3.6.1

Wanderbettverfahren Wirbelschichtverfahren Technische Anwendung von Adsorptionsverfahren zur Gastrennung und Gasanreicherung Abtrennung von Wasserstoff aus wasserstoffhaltigen Gasen Darstellung der Verfahren Verfahrensbeispiele Zerlegung der Luft in Stickstoff und Sauerstoff Darstellung der Verfahren Verfahrensbeispiele Trennung von n- und «o-Kohlenwasserstoffen Darstellung der Verfahren Verfahrensbeispiel: Total-Isomerization-Process (TIP) Anreicherung von Ozon Darstellung der Verfahren Verfahrensbeispiele Abtrennung von Methan aus Gasgemischen und Kohlenwasserstoff-Trennung Darstellung der Verfahren Verfahrensbeispiel: Ethylenrückgewinnung Abtrennung von Helium von Tauchatmungsgasen Darstellung der Verfahren Verfahrensbeispiel: BF-He-Verfahren Kohlenmonoxid- (Wasserstoff-) Abtrennung aus verschiedenen Gasen Darstellung der Verfahren Verfahrensbeispiel: Kohlenmonoxid-Abtrennung aus Hochofengas Technische Anwendung der Adsorptionsverfahren zur Gasreinigung Verfahren zur Entschwefelung von Abgasen Darstellung der Verfahren Verfahrensbeispiele Verfahren zur Simultanabscheidung von Schwefeldioxid und Stickoxiden Darstellung der Verfahren Verfahrensbeispiele Verfahren zur Lösungsmittel-Rückgewinnung Darstellung der Verfahren Verfahrensbeispiele Verfahren zur adsorptiven Abtrennung von Geruchsstoffen oder organischen Substanzgemischen Darstellung der Verfahren Verfahrensbeispiel: Adsox-Verfahren zur Entfernung von Geruchsstoffen und anderen organischen Substanzen aus der Abluft Verfahren zur Reinigung der Abluft von Viskosebetrieben Darstellung der Verfahren Verfahrensbeispiel: Sulfosorbon-Verfahren zur Reinigung von Viskoseabluft Verfahren zur Entfernung gasförmiger, radioaktiver Komponenten aus Abgasen von Kernkraftwerken und Wiederaufbereitungsanlagen Darstellung der Verfahren

XI 215 215 215 216 216 219 220 220 222 223 223 225 226 226 227 228 228 230 231 231 232 232 232 233 233 234 234 237 240 240 242 244 244 245 247 247 248 249 249 251 252 252

XII 11.3.6.2 11.3.7 11.4 11.4.1 11.4.2 11.4.2.1 11.4.2.2 11.5 11.5.1 11.5.2 11.5.3 11.6

Inhalt Verfahrensbeispiel: Verfahren zur Reinigung von Abgasen aus Wiederaufbereitungsanlagen Verfahren zur Reinigung von Abgasen unterschiedlicher Abgasquellen Technische Anwendung der Adsorptionsverfahren zur Gastrocknung Darstellung der Verfahren Verfahrensbeispiele Erdgastrocknungsanlage mit Kreislaufregeneratoren Heatless-Dryer-Prinzip Sonderverfahren Zyklische Zonenadsorption — parametrisches Pumpen „Simulierte" Gegenstromverfahren Wärmespeicherung und -rückgewinnung, Klimatisierung der Raumluft Zusammenfassende Bemerkungen zu den Adsorptionsverfahren Literatur

254 255 256 256 259 259 260 261 261 261 263 264 265

Sachregister

275