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Anwendungen der Adsorption

Lufttrennung

Zur Gewinnung von Stickstoff und Sauerstoff durch Luftzerlegung wird seit den 1970er Jahren neben der Tieftemperaturrektifikation auch die Druckwechseladsorption verwendet. Als Adsorbentien verwendet man für die Trennung Zeolithe und Kohlenstoff-Molekularsiebe.

Bei den zeolithischen Molekularsieben beruht die Trennung auf dem Gleichgewichtseffekt, da die Gleichgewichtsbeladung geeigneter Zeolithe mit Stickstoff um ein Mehrfaches höher ist als mit Sauerstoff.

Bei Verwendung von Kohlenstoff-Molekularsieben wird der kinetische Effekt zur Trennung ausgenutzt. Der Sauerstoff wird von den Molekularsiebkoksen wesentlich schneller adsorbiert als Stickstoff.

Im Vergleich zur Tieftemperaturrektifikation ist die Druckwechseladsorption für kleine Produktionskapazitäten wirtschaftlich, wenn keine hohen Forderungen an die Produktreinheiten gestellt werden. Ein Vorteil der Druckwechseladsorption ist der relativ niedrige Bedienungsaufwand.

$N_{2}$ -Gewinnung

Wichtigstes Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff ist das nach dem Druckwechselprinzip arbeitende BF- $N_{2}$ -Verfahren (BF = Bergbau Forschung GmbH, Essen) mit Kohlenstoff-Molekularsieb (CMS) als Adsorptionsmittel. Die Trennung von Stickstoff und Sauerstoff ist infolge des kinetischen Effektes möglich. Der Sauerstoff wird von CMS mit erheblich größerer Geschwindigkeit adsorbiert als der Stickstoff, so dass am Austritt eines CMS-Bettes zunächst $N_{2}$ erscheint und erst zeitlich verzögert $O_{2}$ .

Abb.1: Beladung eines Kohlenstoff-Molekularsiebes mit Sauerstoff und Stickstoff bei 20 °C als Funktion der Zeit.

aus CD Ullmann CD "Encyclopedia of Industrial Chemistry"

mit freundlicher Genehmigung von Prof. Dr. Mersmann und des Wiley-VCH Verlags

Druckwechseladsorptionsanlagen zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft sind bis zu einer Produktionsmenge von ca. 2000 $m^{3} /h$ wirtschaftlich. Bei größerem $N_{2}$ -Bedarf ist die $N_{2}$ -Gewinnung durch Tieftemperatur-Luftzerlegung kostengünstiger.

Vertiefung: Fließschema einer Druckwechseladsorptionsanlage zur $N_{2}$ -Gewinnung

Anschauliches: interaktive Abbildung einer Druckwechseladsorptionsanlage zur $N_{2}$ -Gewinnung

Anschauliches: Photo einer realen Anlage zur $N_{2}$ -Gewinnung

$O_{2}$ -Gewinnung

Bei dem ebenfalls nach dem Druckwechselprinzip arbeitenden UCC-Prozess (UCC = Union Carbide Corporation) zur Gewinnung von Sauerstoff werden Zeolithe als Adsorptionsmittel verwendet. Die Trennung von Stickstoff und Sauerstoff erfolgt hier unter Ausnutzung des Gleichgewichtseffektes. An den verwendeten Zeolithen wird bevorzugt Stickstoff adsorbiert.

Die PSA-Anlage zur Gewinnung von Sauerstoff besteht in der Regel aus drei Adsorbern, von denen sich einer in der Adsorptionsphase befindet, während die anderen beiden sich in einem der verschiedenen Stadien Druckaufbau, Druckabbau und Spülen befinden.

Da Sauerstoff und Argon mit einer beinahe gleich großen Affinität adsorbiert werden, kann der Sauerstoff nur mit einer maximalen Reinheit von 95-96 % gewonnen werden. Die Anwesenheit von Argon als Verunreinigung ist für viele Anwendungen nicht von Bedeutung. In anderen Fällen können höhere Sauerstoff-Reinheiten durch Wahl anderer Adsorbentien erreicht werden.

Sauerstoff-Anlagen mit Druckwechseladsorption werden für $O_{2}$ -Mengen bis ca. 1000 $m^{3} /h$ verwendet. Bei größerem $O_{2}$ -Bedarf ist eine Tieftemperatur-Luftzerlegung wirtschaftlicher.