separation factor at infinite dilution

Allgemeines Schema eines Trennprozesses

Stufe

Feed

Trennhilfsmittel

Ströme

unterschiedlicher Zusammensetzung

Trennhilfsmittel Trennprozess Energie

Energie +

Lösungsmittel Membran +

Azeotrope Rektifikation Extraktive Rektifikation Lösungsmittel, etc.

Elektrodialyse Absorption

Extraktion: Flüssig-Flüssig-, Fest-Flüssig-,

überkritisches Gas Adsorption

Membran-Trennprozess

·

·

·

Verdampfung

Kondensation

Rektifikation

Kristallisation

Absorptionsanlage

(zu unterscheiden physikalische und chemische Absorption)

Bei physikalischer Absorption:

niedriger Druck hohe Temperatur Bei physikalischer

Absorption:

hoher Druck (x

H

= p

)

niedrige Temperatur

Ausgewählte Beispiele zum Einsatz der Absorption abzutrennende Absorptionsmittel

Komponente(n)

HCl Wasser (preußische Alkaliakte 1863)

SO

Schwefelsäure

H

S, CO

(Erdgas) Methanol (Rectisol), NMP (Purisol), Glykolether (Selexol), Sulfolan (Sulfinol)

H

O Triethylenglykol (Trocknung von Gasen) CO

heiße K

CO

(Pottasche)-Wäsche, wäßr.

Monoethanolamin-M. (10-20 Gew.%)

H

S wäßr. Diethanolamin-M. (10- 25 Gew.%) H

S ( Kokereien ) kalte K

CO

(Pottasche)-Wäsche

CO

, H

S NaOH (8 Gew.%) (nur bei kleinen Anlagen)

SO

wäßr. Ca(OH)

, CaCO

-Lösung, wäßr. Na

SO

-

Lösung

Anforderungen an das Absorptionsmittel

• hohe Selektivität (H 1j /H 2j >> 1 ( << 1 ))

• hohe Gaslöslichkeit (Kapazität)

• geringer Dampfdruck

• niedrige Viskosität

• niedriger Schmelzpunkt

• hohe chemische und thermische Stabilität

• hoher Flammpunkt

• geringe Giftigkeit

• geringe Korrosivität

• geringer Preis

Henry-Koeffizienten von CH ₄ , CO ₂ und H ₂ S in Methanol

H S

CO

CH

Methanreinigung_d.cdr

PSRK (UNIFAC)

Zu berücksichtigende Gleichgewichte bei der

Absorption von CO ₂ und H ₂ S in Aminlösungen

McCabe-Thiele-Verfahren

( _{j aus} ) ^o ( _{j ein} )

o Y Y L X X

G − = ₊ −

•

•

1

( j ein )

o o aus

j X X

G Y L

Y = + _{• +} −

•

1

•

•

Absorption

Desorption

643 000 Nm³/h Feedgasmenge Durchmesser: 5.4 m Höhe: 62 m

Druck: 23 bar 1994:

Neuer Absorber Sasol II, Secunda

Der größte Rectisolabsorber (LURGI)

Sauergasmenge ähnlich in Großenkneten:

6

10

Nm

/Jahr

Absorberbauarten

Absorberbauarten

Typische Extraktionskolonne

Typische Extraktionsanlage

Shell-Sulfolan-Prozess zur Aromaten-Extraktion

Feed

Ausgewählte Beispiele zum Einsatz der Extraktion

• ungünstiger Trennfaktor bei der Rektifikation

• thermische Instabilität der zu trennenden Komponenten

• Gewinnung von Antibiotika aus Fermentationsbrühen

• Entfernung geringer Mengen einer schwersiedenden Komponente

• Trennung von Stoffklassen (z.B. Aliphaten-Aromaten)

• Entfernung von Metallsalzen

• Gewinnung von Aroma- und Duftstoffen

• Trennung von Wasser-Carbonsäure-Systemen

• Abtrennung von Caprolactam

• Entfernung von Mercaptanen aus Erdöl mit NaOH-Lösung

• Phenolextraktion bei der Teerverwertung

Separation of Benzene (Aromatics) from a C

– C

– Alkanes (Aliphatics) Using Sulfolane (at infinite dilution)

Separation factor (ratio of vapor pressures (P

/P

) times ratio of predicted activity

P

/P

γ

/γ

α

calculated with mod. UNIFAC

0.001 0.01 0.1 1 10 100

6 7 8 9 10 11 12

number of C-atoms

s ep ar a ti o n f ac to r at in fi n it e d il u ti o n

hexane heptane octane nonane decane undecane dodecane

γ

31.00 43.10 59.80 82.90 114.00 158.00 218.00

γ

2.39 2.39 2.39 2.39 2.39 2.39 2.39

α

18.29 10.20 5.80 3.33 1.92 1.12 0.67

Separation of Benzene (Aromatics) from a C

– C

– Alkanes (Aliphatics) Using Sulfolane (80 mol%)

0.001 0.01 0.1 1 10 100

6 8 10 12

number of C-atoms

se pa ra tio n fa ct or

number of C-atoms

Separation factor (ratio of vapor pressures (P

/P

) times ratio of predicted activity coefficients (γ

/γ

)) at 80°C in sulfolane (x = 0.8)

P

/P

γ

/γ

α

calculated with mod. UNIFAC

hexane heptane octane nonane decane undecane dodecane

γ

(x=0.1) 13.07 15.38 17.91 20.65 23.58 26.69 29.96

γ

(x=0.1) 1.72 1.68 1.64 1.60 1.57 1.54 1.51

α

10.71 5.18 2.53 1.24 0.61 0.29 0.15

Experimenteller und vorausberechneter (modified UNIFAC) Trennfaktor bei unendlicher Verdünnung für die Aliphaten(1)-Aromaten(2)-Trennung durch

extraktive Rektifikation mit Sulfolan (T = 353.15 K)

0.001 0.01 0.1 1 10 100

6 7 8 9 10 11 12

T re n n fa k to r

1,2

s Alkan Alkan

s

Benzol Benzol

P P α γ

γ

∞

∞

= ∞

/

s s

n Alkan Benzol

P ₋ P

Alkan / Benzol

γ ^∞ γ ^∞

gewählt: n-Alkane Modified UNIFAC

experimentell

Anforderungen an das Extraktionsmittel

• breite Mischungslücke zwischen Extrakt- und Raffinatstrom

• hohe Selektivität S

(d. h. hohe K

/K

-Werte)

• hohe Löslichkeit für den Extraktstoff (Kapazität)

• geringe Löslichkeit im Raffinat

• leichte Abtrennbarkeit des Extraktstoffes

• nicht zu geringe Dichtedifferenz der beiden flüssigen Phasen

• geeignete Werte für die Grenzflächenspannung

• hohe thermische und chemische Stabilität

• geringer Dampfdruck

• kein zu niedriger Flammpunkt

• geringe Viskosität

• geringe Giftigkeit

• geringe Korrosivität

• geringer Preis

Temperaturabhängigkeit der Selektivität verschiedener Entrainer für die „Aliphaten/Aromaten“- Trennung

NMP DMSO Sulfolan

Di-Butylformamid N-Methylacetamid Ethandiol

exp. Daten

Mod. UNIFAC (Do)

"S e le kt iv itä t" γ B e n zo l im E n tr a in e r

8

γ C yc lo h e xa n im E n tr a in e r

8

ln

DMF

Wasser bei 25°C:

Selektivität und Löslichkeit verschiedener Entrainer für die

"Aliphaten / Aromaten" -Trennung

10 00 011 Synthese

11.02.99

Wasser bei 25°C:

11 21

12

3

=

=

∞

∞

Cyclohexan

ln

. S

ln

γγγγ

Bilanzraum Extraktionskolonne

( F j ) o ( N j )

o X X S Y Y

R − = −

• +

•

1

( j F )

o o N

j X X

S Y R

Y = + _{• +} −

•

1

telstrom Lösungsmit

. bzw Zulauf

inerter S

,

R o o −

•

•

McCabe-Thiele-Verfahren zur Auslegung von Extraktoren

Minimale

Extraktionsmittelmenge Extraktphase

Raffinatphase

Dreiecksdiagramm

Einstufige Extraktion

R ME E ɺ = RM

ɺ

min

' ' S FM F

= M S

ɺ ɺ

max

"

"

S FM F

= M S

ɺ ɺ

Mehrstufige Extraktion

R N

E S

F ^• + ^• = ^• 1 + ^•

•

•

•

•

•

=

−

=

− E R S P

F 1 N

•

•

• +

•

•

•

•

•

•

•

•

=

=

−

=

−

=

−

=

−

=

− E R E R E R E R S .... P

F ^{1 1 2 2 3 j j 1 N}

P • Differenzstrom (Polpunkt)

Benötigt: Verbindung R _j und E _j+1

29

Extraktion von 1,4-Dioxan mit Benzol aus einer Dioxan-Wasser- Mischung (x

= 0.4) bei 25°C

Wasser

M

F

R

R

R

R

E

E

E

E

S

E

S

E

E = F

R

=R

= R

R

1,4-Dioxan

Benzol

P P

(positiv oder negativ)

1

2

N=3 ϑ = 25°C

1

0.02, / 4

geforderte Raffinatkonzentration x = F S ɺ ɺ =

Numerische Auslegung im Falle von Mehrkomponentensystemen

• j-1

• j

R E

• j

• j+1

R E

R i R i E

i E

i

x

x γ = γ

R i i E

i

K x

x =

(

)

E

i

= f T , P , x

γ

(

)

R

i

= f T , P , x

wobei: γ

bzw.

und damit in Matrixschreibweise (Matrix für jede Komponente i):

Materialbilanz (Boden j):

1

0

1 1

1

+ + − − =

•

•

• + +

•

− −

• E

j j R

j j j j

E j j

R

j

x

E x F z R x E x

R

j j R

j j j

R j j j

R j

j

x

R E K x E K x F z

R

 +

=



 



 +

−

1 1

A

B

C

D

Phasengleichgewicht:

j

F ɺ

Auswahl des Extraktors

Aufgabe: Bauweise:

a) hervorragender Stoffaustausch a) stufenweiser Kontakt 1. große Phasengrenzfläche b) kontinuierlicher Kontakt 2. hohe Stofftransportkoeffizienten (eine Phase dispergiert) b) saubere Trennung der Phasen

Auswahl des Extraktors abhängig von:

a) theoretischer Stufenzahl N

b) Schwierigkeit der Trennbarkeit der Phasen

c) Verhältnis von Raffinat- zu Extraktstrom

Abscheider

Typische Extraktoren

leichte Phase

leichte

Phase schwere

Phase

schwere Phase

Schlamm- ablaß Phasentrennfläche

Wehr

leichte Phase

Phasentrennfläche schwere

Phase

Eintritt leichte Phase Eintritt

schwere Phase Phasengrenze

Austritt

leichte Phase Austritt

schwere Phase

PC PC

Mischer-Abscheider- Einheit

Mehrstufiger Mischer-Abscheider in Kastenbauweise

Podbielniak-Extraktor

Kolonnen mit Energiezufuhr

Kolonnen mit Energiezufuhr (Pulsation)

Faltenbalg Kolbensystem pulsierende Siebböden

Extraktor mit Misch- Kühni-Extraktor

Kolonnen mit Energiezufuhr (Pulsation)

Kolonnen mit Energiezufuhr

(rotierende Einbauten)

Fotos von Kolonnen

Beispiel der S-L-Extraktion

• täglich zu Hause: Kaffee bzw. Tee

• Industrie: Zucker, Fett, Extrakte, Öle, ..

Anforderungen an das Extraktionsmittel für die Fest-Flüssig-Extraktion

• gute Penetrationseigenschaften

• leichte Abtrennbarkeit vom Extrakt

• niedriger Siedepunkt

• geringe Verdampfungsenthalpie

• hohe chemische und thermische Stabilität

• geringe Viskosität

• geringe Giftigkeit

• geringe Korrosivität

• geringer Preis Verwendete Extraktionsmittel

• Alkane, Aromaten, chlorierte Kohlenwasserstoffe

• Schwefelkohlenstoff, Diethylether

• Aceton, verschiedene Alkohole, Wasser

• verschiedene definierte Gemische

Fest-Flüssig-Extraktoren

Extraktionsgut

Dampfeinlaß Dampfauslaß

Verdampfer Kondensator

Extrakt Feststoff-

rückstand

Lösungs-

mittel

Extrakt und Lösungsmittel Extraktionsgut

Feststoff- austrag

Diskontinuierliche

Feststoffextraktion Schneckenextraktor

(zerkleinert,

getrocknet)

Beispiel der SCF-Extraktion

• Entcoffeinierung von Kaffee

• Nikotinentfernung aus dem Tabak

• Gewinnung von Hopfen- oder Gewürzextrakten

• Gewinnung von Aromastoffen

• Entasphaltierung (Propan/Butan)

CO

physiologisch unbedenkliches Extraktionsmittel (manchmal Zugabe von co-Solventien)

typische Extraktionsbedingungen*: T = 283 – 373 K Druck: 50 – 300 bar

*abhängig vom überkritischen Fluid

Vorausberechnung des PvT-Verhaltens von Kohlendioxid im unter- und überkritischen Zustand VTPR (     ) PSRK (- - - -)

unterkritisch: überkritisch:

373 K

320 K

423 K

573 K

[k g/ m ] ρ 3

ρ [k g/ m ] 3 Dampfdichte

Flüssigdichte

kritischer Punkt

CO

: T

= 304.2 K, P

= 73.76 bar

v

Kritische Daten ausgewählter Komponenten

T _kr ,K P _kr ,bar ρ ρ ρ ρ _kr , kg/m ³

CO ₂ 304.2 73.76 468

Ethen 282.4 50.35 217

Ethan 305.4 48.84 203

Propan 369.8 42.46 217

100 D 10

D 01

. 0

3 .

0 _L

G L

G

−

≈

≈

≈ η

η ρ

ρ

L G

Einstufige Anlage für die Extraktion mit überkritischen Gasen

Extraktor Feed

Raffinat

Abtrennung

Extrakt

Berechnung von Fest-Gas-Gleichgewichten (1) CO +

(2) Phenanthren

T = 323.15 K

P [bar]

lo g y [ ] − 2

ideal, ohne Poynting-Faktor ideal, mit Poynting-Faktor

VTPR ohne Poynting-Faktor

VTPR mit Poynting-Faktor Gleichgewichtsbedingung:

Poynting-Faktor:

P Poy

y P

2 2 s

2 2

= ϕ

v : Feststoffvolumen (exp. Daten) P : Sublimationsdampfdruck

Antoine-Parameter an exp. Daten angepasst

2

exp

Poy

= [ ( v

( P − P

) / R T

S 2

s

]

2

T R / ) P P v

(

−

= [

S 2

s

]

2 Poy ₂ P ₂ ^s = y ₂ ϕ ϕ ϕ ϕ ₂ P

für P = P

y

= 1 bei moderaten Drücken

y

≈ P

/P

Trennung von Anthracen und Phenanthren durch überkritische Extraktion mit Kohlendioxid

P [bar]

T = 323.15 K (2) Anthracen

(2) Phenanthren (1) Kohlendioxid + lo g y [ ] −

VTPR PSRK

1/T [1/K]

0.0015 0.002 0.0025 0.003 2.

0.

-1.

-4. T m,Anthracen

T m,Phenanthren

lo g P [k P a] i s

323.15 K 3.

1.

-5.

-2.

-3.

-6.

2 2 2 2 2 2

os V s

f = f Poy P = y ϕ P

Mögliche Fest-Flüssig- Gleichgewichte

Zu unterscheiden:

Schmelzkristallisation:

(viele organische Verbindungen, z.B.:

m/p-Xylol)

Lösungskristallisation:

(z.B. Salze, Wirkstoffe) (Fällungskristallisation) Lösungskristallisation:

älteste Grundoperation weißes Gold (Kochsalz)

Stadtgründungen und Transportwege (Salzstraßen zeugen von der Bedeutung)

Schmelzkristallisation:

Monochloressigsäure

1901 Indigo-Synthese (Hoechst)

Typische Fest-Flüssig-Gleichgewichte (Schmelzkristallisation)

m-Xylol (1) + p-Xylol (2) (eutektisches Verhalten)

Anthracen (1) + Phenanthren (2) (ideale Löslichkeit)

x _i x _i

Te m pe ra tu r [K ] Te m pe ra tu r [K ]

Soliduslinie Soliduslinie

Liquiduslinie

Liquiduslinie

ca. 80%

SLE des Systems CCl ₄ -p-Xylol ( Adduktbildung )

T [K ]

x ₁ 230

250 270

0.0 0.5 1.0

0.0 0.5 1.0

T [K ]

x ₁ 290

T [K ]

x ₁ 230

250 270

0.0 0.5 1.0

0.0 0.5 1.0

T [K ]

x ₁

290

Löslichkeitskurven einiger Salze in Wasser (Lösungskristallisation)

Löslichkeitsprodukt über thermodynamische

Standardgrößen berechenbar;

Weiterhin Elektrolytmodell

erforderlich

Löslichkeitskurven einiger Salze in Wasser

25°C 100°C

L ö sl ic h ke it [ m o l/k g ] (K C l)

Löslichkeit [mol/kg] (NaCl) 2

1

Gewinnung von KCl aus Sylvinit (NaCl/KCl)

Vor- und Nachteile der Kristallisation

Vorteile:

• Trennhilfsmittel: Energie

• bei thermisch instabilen Verbindungen (z.B. Acrylsäure)

• bei Verbindungen mit geringem Dampfdruck

• bei Systemen mit ungünstigem Trennfaktor α α α α

( insbesondere bei Isomerengemischen )

• geringe Zahl theoretischer Stufen ( für eutektische Gemische: N

= 1)

• bei der Herstellung sehr reiner Produkte

• geringerer Energiebedarf als bei der Rektifikation ( Schmelzenthalpie < Verdampfungsenthalpie ) Nachteile:

• saubere Trennung der beiden Phasen ( Mutterlauge, Kristalle ) schwierig

• kontinuierlicher Transport der festen Phase nicht möglich

• Stofftransport bei der Schmelzkristallisation durch hohe Viskosität begrenzt

• keine komplette Trennung des Gemischs ( Eutektikum )

→

→

→

→ zur Auslegung erforderlich: kinetische Daten (Keimbildung, Kristallwachstum)

und Kenntnis des Fest-Flüssig-Gleichgewichts

Typische durch Kristallisation hergestellte Produkte

Paraffine verschiedenste Salze:

Fettsäuren

p-Xylol Na ₂ SO ₄

10 H ₂ O m-Xylol (nach dem Parex-Prozess) KCl ( Sylvin )

Benzoesäure KNO ₃

Caprolactam NH ₄ NO ₃

Nitrochlorbenzol NaCl

Dichlorbenzol (NH ₄ ) ₂ SO ₄

p-Kresol MgCl ₂

6 H ₂ O Naphthalin AlCl ₃

6 H ₂ O

Bisphenol-A NaHCO ₃

Monochloressigsäure ...

Acrylsäure

Möglichkeiten der Übersättigung (z.B. Lösungskristallisation)

• Kühlung*

• Verdampfung

• Entspannungsverdampfung

• Aussalzung durch Zugabe von Salzen oder organischen Komponenten**

• ”extraktive” Lösungsmittelentfernung ( „Antisolvent-Kristallisation“)

* vorteilhaft, wenn die Gleichgewichtskonzentration sich stark mit der Temperatur ändert

** Beispiele:

Zugabe von NaCl (CaCl

) zur Gewinnung von NH

Cl (BaCl

)

Zugabe von Alkoholen zur Senkung der Wasserlöslichkeit

von Aminosäuren

Möglichkeiten zur Übersättigung von Lösungen

Übersättigung durch „Extraktion“

1

2

2 1

4

4

3 3

Löslichkeits- und Überlöslichkeitskurven

labiler Bereich

stabiler Bereich

metastabiler Bereich Überlöslichkeitskurven

Löslichkeitskurve 65 0 m in

-1

45 0 m in

-1

n= 29 0 m in

-1

200

160 180

140

K on ze nt ra ti on

kg/m

mol/kg

Keimbildung und Kristallwachstum als zu berücksichtigende Faktoren bei der Auslegung von Kristallisationsprozessen

KB

KW

KG

Keimbildung (KB) c (b 3 bis 6)

∝ ∆

≈

b

∆c = Übersättigung = c - c*

(c = aktuelle Konzentration,

c* = Gleichgewichtskonzentration)

Kristallwachstum (KW) c (w 1 bis 2)

∝ ∆

≈

w

KB KW KG

∆c

Folgerung:

Übersättigung (z.B. durch Unterkühlung) nicht zu groß werden lassen, da sonst die Keimbildung zu stark wird => Festlegung einer optimalen Übersättigung c ∆

Kristallgröße (KG)

Kühlungskristallisation

64

Fallfilmkristallisationsverfahren der Firma Sulzer-Chemtech

Rieselfilm Schmelze

Rieselfilm Heiz- bzw.

Kühlmedium Heiz- bzw.

Kühlmedium Rohrwandung

Kristallschicht

Produkt Rückstand

Einsatzstoff

Fallfilm- kristallisator

Sammeltank

a

b

Kopplung von Rektifikation und Kristallisation zur Trennung von o- und p-Dichlorbenzol

o-Isomer p-Isomer

Mutterlauge

Fallfilm- Kristallisator Rektifikation

Isomeren- Gemisch

VLE SLE

α

1.2 ≈

Überwindung des eutektischen Punktes durch Druckwechselkristallisation

m c

m

a

T P

T =

⋅ + 1

Simon-Glatzel:

m s L

h v v

T dP

dT

∆

−

= ⋅ ( )

( ) 



 





∆

− ∆

⋅

=

m m m

m

h

P v P T

T

exp

Clausius-Clapeyron:

Extraktive Kristallisation

Cyclohexan (T =279.75K) _m

T=270K

T=230K 2 8 0 K

2 6 0 K

2 4 0 K

T=210K T=190K

Benzol Pentan

Eutektische Linie

T=250K

Extraktive Kristallisation

p-Xylol T = 286.5 K_m

m-Xylol T = 225.4 K

n-Heptan T = 182.6 K 1

2

3 5

.

. .

A A

Feed C C

A

C Mutterlauge

n-Heptan

p-Xylol m-Xylol

B

5

4 3

1 2

Trennung von m-/p-Xylol durch adduktive Kristallisation

Trennung durch Adsorption

Adsorptions- effekte

N₂

O₂ Ar

Molekular-Sieb 5A T = 298 K

Hg

cm

3 /Beladung mit Adsorbensg

N₂ O₂

Aktivkohle

Kinetische Effekte

Beladungsfaktor

CH3

H3C

CH₃

CH₃

CH₃ H₃C

Molekular-Sieb ZSM-5 T= 293 K

Größen- effekte

Beladung mit Adsorbens

Technische Anwendungsbeispiele der Adsorption

Trennung von Gemischen Adsorptionsmittel

n-Paraffine / i-Paraffine Zeolithe

n-Paraffine / Cycloalkane Zeolithe

Aromaten ( PAREX ) Zeolithe

Fructose/Glukose Zeolithe

Paraffine / Olefine Zeolithe

Gewinnung von Stickstoff Zeolithe (95%O

+ 5%Ar)

und Sauerstoff aus der Luft Kohlenstoffmolekularsieb (N

) Abwasserreinigung

Phenol, Anilin, .. Aktivkohle

Abluftreinigung

Lösungsmittel Zeolithe

Reinigung von Gasen (bzw. Luft vor der Luftzerlegung)

Wasser, H

S, CO

, C

H

Zeolithe

Trocknung

Gase (Luft), Lösungsmittel Zeolithe

Herstellung von Wasserstoff für die NH

-Synthese

Druckwechseladsorption von Synthesegas Kohlenstoffmolekularsieb

Wasserstoffspeicher Nanocubes

Herstellung von Wasserstoff

Vergleich des klassischen und

des modernen

Verfahrens

Technisch eingesetzte Adsorptionsmittel

Adsorptionsmittel Oberfläche (m ² /g)

Aktivkohle 300-2500

Silicagel (engporig) 750-850 (weitporig) 300-350

Aluminiumoxid 300-350

Zeolithe (Molekularsiebe) 500-800

Kohlenstoffmolekularsiebe 250-350

Aktivkohleprobe besitzt etwa gleiche Fläche wie das Münchner Olympiastadion

Porendurchmesser

Sterischer Effekt: Zeolithe

Metal-Organic Frameworks (MOFs)

• Wasserstoffspeicher

• Gastrennung

• Potentiell gute

Katalysatoren

Metal-Organic Frameworks (MOFs)

Typische Liganden

Phthalsäure

Terephthalsäure Oxalsäure

Malonsäure

Bernsteinsäure

Glutarsäure

CO ₂ -Speicherung

Pyrrodiazol

Terephthalsäure

Quadratsäure

Adsorptionsisotherme Typ I - III

Adsorptionsisotherme Typ IV - V

Adsorptionsisotherme, Gleichgewichts- und Beladungsdiagramm

Adsorbens: Zeolith 4A Temperatur: 278.15 K

Korrelation der Reinstoffisothermen mit dem Langmuir-Modell

Korrelation des binären Gleichgewichtes mit dem Modell RAST

Stickstoff Sauerstoff

176 kPa 440 kPa

176 kPa

440 kPa

176 kPa

440 kPa

Durchbruchskurve

Zeit t c

c ₀

1

Adsorptionsfronten und Durchbruchskurven für die Abtrennung von CO

, H

S und Wasser aus Erdgas

erdgas.cdr, 19.07.2000

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 21. 22.

H O

H S

H S

3. H S

H S

CO

CH

1. CH

CH ₄

CO

CO

2. CO

H O

H O

4. H O

1.6

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

Eintritt Austritt

Durchbruch:

Adsorberlänge

Adsorptionsfront:

Durchbruchskurven:

c / c

c _{i, 0} c _i

Technische Adsorber (Festbett, Rotoradsorber)

Oft mehrere Schichten mit unterschiedlichen Adsorptionsmitteln

Manchmal sogar katalytisch aktive Schichten, z.B. zur Oxidation von CO, H

Verschiedene Adsorptionsschichten

87

Regenerierung

Regeneriergas Austritt

tragender Boden Druckmantel innerer Korb äußerer Korb Adsorption

Produktgas Austritt

Produktgas Regeneriergas

Eintritt

Molsiebschüttung Befüllungsstutzen

Regenerierung

Regeneriergas Austritt

tragender Boden Druckmantel innerer Korb äußerer Korb Adsorption

Produktgas Austritt

Produktgas Regeneriergas

Eintritt

Molsiebschüttung Befüllungsstutzen

Radialadsorber

Vorteil Radialadsorber:

größere Flächen geringerer Druckverlust

Gasmengen bei der Luftvorreinigung der kryogenen Luftzerlegung:

ca. 500000 Nm

/h Menge Adsorptionsmittel:

ca. 200 t

Möglichkeiten der Desorption durch Temperatur- bzw. Druckänderung

1 -2a Isobare Temperaturerhöhung 1-2b Isotherme Drucksenkung

1-2c Temperaturerhöhung bei gleichzeitiger Drucksenkung

Freiheitsparameter eines adsorptiven Trennverfahrens

•Adsorbens (hydrophil, hydrophob)

•Trenneffekt (sterisch, kinetisch, Gleichgewicht)

•Druck

•Temperatur

•Regenerierung (TSA, PSA, VSA, Verdrängung)

Hybridverfahren: Rektifikation und Adsorption

Adsorptionsverfahren

Ausnutzung des Gegenstromprinzips bei der Adsorption (PAREX)

Aufarbeitung der C ₈ -Fraktion durch Adsorption (SMB-Technik)

Konzentration

p-Xylol

o-, m- Xylol Extrakt

Feed

Raffinat

Desorbent

Ethyl- benzol

t = t

Konzentration

o-, m- Xylol

p-Xylol Extrakt

Feed

Raffinat Desorbent

Kreislauf- strom

Ethyl- benzol

t = t

Kreislauf- strom

SMB_C8_deu.cdr

Ausbeute ca. 97 %, Reinheit ca. 99.9 %

SORBEX-Verfahren ( UOP )

• Abtrennung der n-Paraffine von verzweigten bzw. cyclischen Paraffinen MOLEX- Verfahren, leichte Paraffine als Eluierungsmittel )

• Abtrennung der Olefine von Paraffinen in weit siedenden Gemischen ( OLEX-Verfahren )

• Abtrennung von p-Xylol von den anderen C8-Aromaten

(PAREX- Verfahren, Toluol als leicht flüchtiges bzw. p-Diethylbenzol als schwer flüchtiges Eluierungsmittel, Temperatur ca. 150

C, Ba-ausgetauschte Y-Zeolithe )

• Abtrennung von p-Diethylbenzol von den verschiedenen Diethylbenzolisomeren (p-DEB- Verfahren )

• Abtrennung von Ethylbenzol aus dem C8-Schnitt (EBEX-Verfahren, Toluol als Eluierungsmittel)

• Abtrennung der Fructose von den anderen Zuckern aus wässriger Lösung ( SAREX- Verfahren, CaY-Zeolithe )

• Abtrennung von p-Cymol von den anderen Cymol-Isomeren ( Cymex-Verfahren )

• Abtrennung von p-Kresol bzw. m-Kresol aus dem isomeren Kresol-Gemisch ( CRESEX-

Verfahren )

95

Sorbex Technologies (appr. 130 Sorbex units worldwide )

Parex

for separation of para-xylene from mixed C 8 aromatic isomers Ebex

for separation of ethyl benzene

from mixed C 8 aromatic isomers MX Sorbex

for separation of meta-xylene

from mixed C 8 aromatic isomers (Parex raffinate)

Molex

for separation of linear paraffins from branched and cyclic

hydrocarbons

Olex

for separation of olefins from paraffins

Cresex

for separation of para-cresol or meta-cresol from other cresol isomers

Cymex

for separation of para-cymene or meta-cymene from other cymene isomers

Sarex

for separation of fructose from

mixed sugars jeweils spezifische Adsorbens/Desorbent-

Kombinationen, Temperatur, Ströme, ..

SMB

Kristallisation

Kristallisation

R

S

Kreislauf Feed

Lösungsmittel

Lösungsmittel Lösungsmittel

Trennung von Enantiomeren (SMB + Kristallisation)

Annulare Chromatographie

www.morbidelli-group.ethz.ch