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Versuch 3: Druckwechseladsorption

Einführung zum Praktikumsversuch "Adsorption"

Adsorptive Abtrennung von Gasen aus Gasgemischen

Zur adsorptiven Abtrennung von Gasen aus einem Gasgemisch wird eine Adsorberkolonne eingesetzt, welche kontinuierlich von dem zu trennenden Gemisch durchströmt wird. Diese Arbeitsweise wird in der Technik als dynamische Adsorption bezeichnet. Das Gasgemisch durchläuft einen Adsorber, der mit Adsorbens (Aktivkohle) gefüllt ist. Bei dem Durchströmen einer hinreichend langen Adsorbensschicht (h) wird das Adsorptiv fast vollständig aus dem Gas entfernt.

Im Adsorber selbst bildet sich eine so genannte Adsorptionszone hz aus, innerhalb derer die Konzentration des Adsorptivs von der Eintrittskonzentration cE , auf eine danach minimale Austrittskonzentration cA abfällt. Gleichzeitig verringert sich entlang der Adsorptionszone die Sättigungsbeladung XS des Adsorbens. Die Sättigungsbeladung entspricht der Kapazität eines Adsorbens zur Aufnahme eines Adsorptivs, sie ist abhängig vom jeweiligen Partialdruck des Adsorptivs (pE).

Abb.1

Die Abbildung zeigt die Vorgänge in der Adsorptionszone. Die Eintrittskonzentration (cE) des Adsorptivs verringert sich entlang der Adsorptionszone, sie geht gegen 0. Gleichzeitig verringert sich die Sättigungsbeladung (XE) des Adsorbens.

Die Länge der Adsorptionszone wird durch die für das System maßgebende Adsorptionsisotherme und die Eintrittskonzentration des Adsorptivs bestimmt. Die Einstellung des jeweiligen Adsorptions-/Desorptions-Gleichgewichtes benötigt eine endliche Zeit, die aus der Adsorptions-/Desorptions-Geschwindigkeit resultiert. Je langsamer die Gleichgewichtseinstellung erfolgt, desto länger wird die Adsorptionszone.

Die Adsorptionsgeschwindigkeit hängt vor allem aber von der Oberflächendiffusion ab. Um die aktiven Stellen des Adsorbens zu erreichen, müssen die Gasmoleküle in die Poren des Adsorbens diffundieren. Dies ist mit einer verzögerten Gleichgewichtseinstellung verbunden und hat damit eine Verlängerung der Adsorptionszone zur Folge. Die Diffusion hängt von der Molekülart, der Temperatur und dem Partialdruck ab, so dass diese Größen unmittelbar Einfluss auf die Adsorptionsgeschwindigkeit und damit die Adsorptionszone nehmen. Die Länge der Adsorptionszone ist wirtschaftlich gesehen sehr bedeutungsvoll, da ihr Verhältnis zur Gesamtlänge des Adsorbers die praktisch nutzbare Adsorptionskapazität des Adsorbers bestimmt. Eine große Adsorptionszone bedeutet eine kleine Durchbruchsbeladung im Vergleich zur Sättigungsbeladung, was technisch unerwünscht ist.

Bei fortlaufendem Betrieb wandert die Adsorptionszone durch den Adsorber bis zum Ausgang. Das Adsorptiv tritt jetzt im austretenden Gas in messbaren Mengen auf. Der Zeitpunkt, ab dem das Adsorptiv am Ausgang nachweisbar ist, wird als "Durchbruch" bezeichnet. Die Zeit vom Betriebsbeginn bis zum Durchbruch des Adsorptivs ist die Durchbruchszeit tD .

Die Austrittskonzentration des Adsorptivs nimmt im weiteren Betrieb zu und erreicht schließlich den Wert der Eintrittskonzentration cE (cA/cE=1). Das Adsorbens ist nun gesättigt. Die Zeit bis zur vollständigen Sättigung wird als Sättigungszeit tS bezeichnet. Die zeitliche Zunahme der Adsorptivkonzentration im abströmenden Gas bezogen auf die Adsorptivkonzentration am Eintritt in den Adsorber wird "Durchbruchskurve" genannt.

Abb.2

Die Abbildung zeigt eine typische Durchbruchskurve. Sie stellt das Verhältnis der Adsorptivkonzentration im Gas zwischen Eingang (cE) und Ausgang (cA) des Adsorbers in Abhängigkeit von der Zeit (t) dar.

Ist der Adsorber beladen, muss für einen neuen Betriebszyklus das Adsorbens regeneriert werden. Dies erfolgt durch Desorption des Adsorptivs. Die Desorption kann durch alle Einwirkungen erreicht werden, die das Gleichgewicht zwischen Adsorbens und Gasphase stören. Erwähnt sei die (Partial-) Druckerniedrigung des Adsorptivs im Gasraum (z.B. durch Spülen mit Hilfsgasen oder Anlegen eines Vakuums) sowie eine Temperaturerhöhung des Adsorbers, wobei das Adsorptions-/Desorptionsgleichgewicht in Richtung Desorption verschoben wird.

In der Technik werden zur Desorption meist Kombinationsverfahren eingesetzt. Oftmals kann durch Desorption das Adsorbens nicht vollständig vom Adsorptiv gereinigt werden. Man spricht dann von Restbeladung, die meist auf Chemisorption zurückzuführen ist.

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