Einfluss der Temperatur auf die Dynamik der Adsorption kurzkettiger Kohlenwasserstoffe an Aktivkohlen und Zeolithen

Die adsorptive Abtrennung kurzkettiger gesättigter und ungesättigter Kohlenwasserstoffe aus Gasströmen ist in industriellen Prozessen und im Umweltschutz von Bedeutung. Allerdings ist die Kapazität kommerzieller Adsorbentien für die sichere Abtrennung von Spurenkonzentrationen dieser Kohlenwasserstoffe bei Umgebungsbedingungen gering. Durch Absenken der Temperatur unter die Umgebungstemperatur könnte die Effizienz eines Adsorberbetts gesteigert werden. Allerdings werden die Diffusionsprozesse in den Poren der Adsorbentien bei tiefen Temperaturen verlangsamt, was den Prozess unwirtschaftlich machen könnte. Außerdem können unter extremen Prozessbedingungen Koadsorptionseffekte des Trägergases auftreten. Ziel dieser Arbeit war es, ein besseres Verständnis des Einflusses der Temperatur auf die Dynamik der Adsorption zu erlangen. Hierfür wurden systematische Experimente an Adsorbensschüttungen und dynamische Simulationen der Adsorption von C1-C3-Kohlenwasserstoffen im Reinstoff und im Gemisch an kohlenstoffhaltigen und oxidischen Adsorbentien bei -80 °C bis 20 °C durchgeführt.

Koadsorption durch das Trägergas Stickstoff wurde insbesondere bei der Adsorption von Methan an Aktivkohle und Zeolith 13X und verstärkt bei tiefen Temperaturen festgestellt. Beim Absenken der Temperatur von 20 °C auf ‑80 °C steigt die Kapazität bei der Adsorption von Methan aus Helium im Vergleich zur Adsorption aus Stickstoff an der Aktivkohle bei 250 Pa um den Faktor 4,1 und am Zeolith 13X um den Faktor 2. Bei längerkettigen, stärker adsorbierenden Molekülen ab einer Kettenlänge von C2 kann die Koadsorption mit guter Genauigkeit vernachlässigt werden.

Insgesamt übertrifft der Effekt einer ansteigenden Beladung für alle Stoffsysteme den Effekt einer langsameren Kinetik durch eine Temperaturabsenkung. Es wird eine bis zu fünffache Erhöhung des Bettausnutzungsgrades bei Temperaturabsenkung von 20 °C auf ‑80 °C festgestellt. Eine Temperaturabsenkung stellt also grundsätzlich eine Verbesserung für eine gleichgewichtsbasierte Prozessführung dar. Die Bettausnutzungsgrade steigen für schwach adsorbierende Moleküle stärker an als für stark adsorbierende Moleküle, wobei sich der Temperaturbereich des steilen Anstiegs mit Abnahme der Adsorptionsenthalpie zu tieferen Temperaturen verschiebt.

Bei der binären Adsorption von Ethan und Ethen an Zeolith 13X adsorbiert Ethen bei allen Temperaturen bereits ab geringen Anteilen im Gemisch stärker als Ethan. Der Bedeckungsgrad der Oberfläche als Funktion der Temperatur ist ein maßgeblicher Einflussfaktor auf die Stärke der Verdrängung.

The adsorptive separation of light saturated and unsaturated hydrocarbons from gas fluxes is important in industrial processes and environmental protection. However, the capacity of commercially available adsorbents for the reliable separation of trace concentrations of these hydrocarbons at ambient conditions is low. Lowering the temperature below the ambient temperature could increase the efficiency of an adsorber bed. However, diffusion processes in the pores of the adsorbents are slowed down at low temperatures, which might make the process uneconomical. Furthermore, under extreme process conditions, coadsorption effects of the carrier gas may occur. The aim of this work was to gain a better understanding of the influence of temperature on the dynamics of adsorption. For this purpose, systematic experiments and dynamic simulations were carried out for single and multicomponent adsorption of C1-C3 hydrocarbons on activated carbon and oxidic adsorbents at -80 °C to 20 °C.

Coadsorption of the carrier gas nitrogen was observed especially for the adsorption of methane on activated carbon and zeolite 13X and particularly at low temperatures. When lowering the temperature from 20 °C to ‑80 °C, the capacity for adsorption of methane at 250 Pa from helium increases by a factor of 4.1 on activated carbon and by a factor of 2 on zeolite 13X compared to adsorption from nitrogen. For heavier, more strongly adsorbing molecules with a chain length of C2 or longer, coadsorption can be neglected with good accuracy.

Overall, the effect of increasing loading for all component systems exceeds the effect of slower kinetics due to a temperature decrease. An increase of up to five times in the bed utilisation efficiency is observed with a temperature reduction from 20 °C to -80 °C. Therefore, a temperature reduction generally improves equilibrium-based adsorption processes. The bed utilisation efficiencies increase more strongly for weakly adsorbing molecules than for strongly adsorbing molecules. The temperature range in which the factor increases most shifts to lower temperatures as the enthalpy of adsorption decreases.

In the binary adsorption of ethane and ethylene on zeolite 13X, ethylene adsorbs more strongly than ethane at all temperatures, even at low fractions in the mixture. The degree of surface coverage as a function of temperature is a significant factor influencing the strength of displacement.

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