DE1911670A1 - Verfahren zur Reinigung von Gasen - Google Patents
Verfahren zur Reinigung von GasenInfo
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Description
PATENTANWALT DR. HANS-GÜNTHER EGGERT, DIPLOMCHEMIKER
5 KOLlMINDENTHAi PETER-KINTGEN-STRASSE 2
Köln, den 3.3.1969 Eg/Αχ/Ηζ
Union Carbide Corporation,
270 Park Avenue, New York, N.Y. 10017 (V.St,A.).
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Adsorption von sauren Verbindungen aus Gasen,. die diese Verbindungen
enthalten, unter Verwendung eines als Adsorptionsmittel dienenden zeolithischen Molekularsiebes, das
durch Adsorption einer verhältnismäßig geringen Ammoniakmenge modifiziert ist·
Die Klasse der kristallinen Zeolithe, die allgemein als zeolithische Molekularsiebe bekannt ist, hat Adsorptionseigenschaften, die für die Abtrennung einer oder mehrerer
Komponenten aus Gas- und Flüssigkeitsgemischen ausgenutzt werden können. Durch Wahl des für die Zusammensetzung des . %
jeweiligen Flüssigkeits- oder Gasgemisches geeigneten Molekularsiebes ist es möglich, einen Bestandteil des Gemisches
bevorzugt oder selektiv zu adsorbieren und auf diese Weise seine Konzentration zu verringern oder diesen Bestandteil
vollständig zu entfernen. Nach allgemeiner Ansicht der Fachwelt liegt der Selektivität eines zeolithischen Molekularsiebes eine Reihe von Faktoren zu Grunde, zu denen die
Molekülgröße der Bestandteile des Flüssigkeits- oder Gasgemisches im Verhältnis zum effektiven Durchmesser der gleichmäßigen
Poren des Zeolithe und auch die polare Natur der zu adsorbierenden Moleküle gehören. Es ist ferner bekannt,
daß bei jedem zeolithischen Molekularsieb das Adsorptionsvermögen und die Selektivität für ein gegebenes Adsorbat in
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gewissem Umfange modifiziert werden kann, indem die Art
des Kations verändert wird, das normalerweise in der Zeolithstruktur
vorhanden ist. Hierbei handelt es sich um die Kationen, die die Elektrovalenz der AlO^-Tetraeder abgleichen,
die in Verbindung mit SiO^-Tetraedern das grundlegende
dreidimensionale Raumnetz des Zeolithkristalls bilden.
Im Falle des synthetisch hergestellten Molekularsiebs, das
heute allgemein als Zeolith A bezeichnet wird (USA-Patent 2 882 243)f hat beispielsweise die !Form, in der die Kationen
Natriumionen sind, Porendurchmesser von etwa 4 £, während
die Form, die durch Austausch der Natriumionen gegen Kalium- oder Oalciumkationen gebildet wird, Porendurchmesser
von etwa 3 % bzw. 5 & hat.
In zahlreichen Fallen bevorzugt ein gegebenes zeolithisches
Molekularsieb deutlich eine Molekülart aus einem Molekülgemisch, jedoch schließt es eine oder mehrere andere,
gleichzeitig anwesende Molekülarten nicht vollständig aus. Für diese Fälle wurde bereits vorgeschlagen, die
Adsorptionseigenschaften des Zeolithe zu ändern, indem vorher in das dehydratisierte Molekularsieb eine gewisse
Menge eines nicht-wässrigen oder dehydratisierten polaren
Adsorbats, z.B. Ammoniak oder Ammoniakderivate wie Methylamin, eingeführt wird. Nach den Angaben der USA-Patentschrift
2 930 44? hat die hierdurch bewirkte Modifizierung
eine allgemeine Herabsetzung des Adsorptionsvermögens für alle Moleküle, die durch die Zeolithporen hindurchtreten
können, aber auch eine unverhältnismäßige Herabsetzung für gewisse Moleküle zur Folge, so daß, relativ gesehen, das
Adsox^ptionsvermögen für gewisse andere Moleküle als gesteigert
angesehen werden kann.
Bei der Reinigung von Gasen, die bei großtechnischen Ver~
fahren verwendet werden, ergeben sich besondere Probleme
hinsichtlich der Entfernung von sauren Komponenten, die
,gawötolich, aber nicht unbedingt in verhältnismäßig geringen
Konzentrationen vorhanden, aber äußerst giftig für
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Katalysatoren sind oder, wenn sie in die Atmosphäre abgeleitet
werden, eine starke Luftverunreinigung verursachen, .die für Tiere und/oder Pflanzen abträglich ist.
In einem gewissen Maße sind diese Probleme gelöst worden, indem Adsorptionsmittelschichten aus zeolithischen Molekularsieben
zur Adsorption und Isolierung der unerwünschten Bestandteile verwendet werden. Es hat sich gezeigt,
daß richtig gewählte, als Adsorptionsmittel dienende zeolithische Molekularsiebe saure Verunreinigungen aus Gasströmen
zu praktisch 100% zu entfernen vermögen, auch wenn diese Verunreinigungen nur in Spurenmengen, d.h. in Mengen
von wenigen Raumteilen pro Million Raumteile vorhanden sind. Unter diesen Bedingungen haben Molekularsiebe im
allgemeinen ein verhältnismäßig geringes Aufnahmevermögen für die meisten dieser Verbindungen, so daß bei vJßLen Anwendungen
sehr große Molekularsiebbetten erforderlich sind. Bei Verwendung von kleineren Betten ist es notwendig, den
Adsorptionsprozeß häufig zu unterbrechen und das Molekularsieb zu regenerieren.
Die Erfindung stellt sich die allgemeine Aufgabe, den Wirkungsgrad
beliebiger, aus zeolithischen Molekularsieben bestehender Adsorptionsmittelbetten hinsichtlich der Entfernung
von verunreinigenden sauren Verbindungen aus Gasströmen zu verbessern, indem das Adsorptionsvermögen des
Zeolithe für diese sauren Verbindungen gesteigert wird.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß zeolithische
Molekularsiebschichten, die vorher, während der Zeolith
sich im aktivierten Zustand befindet, mit Ammoniak so behandelt worden sind, daß am Zeolith etwa 0,1 bis 10
Gew.-% Ammoniak, bezogen auf das Trockengewicht des Zeolithe,
adsorbiert sind, kein verringertes Adsorptionsvermögen für saure Gase haben, sondern eine bemerkenswerte
Steigerung ihrer Fähigkeit aufweisen, diese Verunreinigungen aus Gasströmen, die sie über den gesamten möglichen
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Konzentrationsbereich der Verunreinigungen, d.h. von praktisch QP/o bis 100% enthalten, aber insbesondere aus
Gasströmen, die weniger als etwa 10% eines sauren Gases als Verunreinigung enthalten, zu extrahieren und zurückzuhalten.
Die Kristallstruktur und die chemische" Zusammensetzung
des für die Zwecke der Erfindung geeigneten Molekularsiebes ist nicht entscheidend wichtig. Es ist lediglich erforderlich,
daß die Poren des Molekularsiebee so groß sind, daß Ammoniak und die Moleküle der zu entfernenden
sauren Gase adsorbiert werden, d.h. das Molekül des sauren Gases oder Ammoniak dürfen aus den inneren Hohlräumen
der Zeolithstruktur nicht ausgeschlossen werden. Obwohl die Porengröße eines gegebenen Zeolithe geringen Schwankungen
in Abhängigkeit von gewissen Jaktoren, z.B. von der Temperatur, unterliegt und die maximale Dimension des
kleinsten projezierten Querschnitts eines Moleküls ebenso durch den Ehergiezustand des Moleküls beeinflußt wird,
genügt es im Rahmen der Erfindung, einen Porendurchmesser der aeolithischen Molekularsiebe von wenigstens 3 Ä als
Voraussetzung anzusehen.
Als zeolithische Molekularsiebe eignen sich für die Zwecke
der Erfindung beispielsweise: - -Zeolith A (USA-Patent 2 882 243), Zeolith Y (USA-Patent
3 130 007), Zeolith L (USA-Patent 3 216 789), Zeolith W (USA-Patent 3 012 853), Zeolith T (USA-Patent 2 950 952),
Zeolith E (USA-Patent 3 030 181), Zeolith X (USA Patent
2 882 244) und Zeolith S (USA-Patent 3 054 657). In den vorstehend genannten Patentschriften sind jeweils
die Zusammensetzung und das Herstellungsverfahren für die
oben genannten Zeolithe beschrieben. Die Porendurchmesser von Zeolithen können bekanntlich in Abhängigkeit von der
Art der in der Kristallstruktur vorhandenen Kationen variieren. In gewissen Fällen, beispielsweise bei einem Austausch
der in der ursprünglich hergestellten Form von Zeo-
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lith A vorhandenen Natriumkationen gegen mehr als 50% Kaliumkationen,
wird die effektive Porengröße in einem solchen Maße verkleinert, daß die.Adsorption eines sauren
Gases wie COo teilweise begrenzt. Wenn jedoch Zeolith A
im gleichen Maße gegen Calciumkationen ausgetauscht wird, hat dies eine Vergrößerung der effektiven Porengröße über
die Porengröße der Natriumkationenform des Zeolithe hinaus
zur Folge. Demgemäß ist es nicht nur notwendig, einen gegebenen Zeolith für das Verfahren gemäß der Erfindung
zu wählen, sondern auch die verwendete jeweilige Kationenform zu berücksichtigen. '
Natürliche Zeolithe, z.B. Chäbasit, Erionit, Gmelinit,
Mordenit, Olinoptilolit und Faujasit können ebenfalls vorteilhaft
verwendet werden. Andere Zeolithe, die nicht zum Typ der dreidimensionalen kristallinen Molekularsiebe gehören,
z.B. die Permutite, die gewöhnlich als Wasserenthärtungsmittel
verwendet werden, sind ungeeignet.
Zu den sauren Verbindungen, die als Verunreinigungen aus Gasen gemäß der Erfindung zu entfernen sind, gehören Kohlendioxyd,
Schwefelwasserstoff, Schwefelkohlenstoff und Alkylthiole der Formel HSH, in der der Alkylrest S 1 bis 5
Kohlenstoff atome enthält. Eine oder mehrere dieser Ver- ((
bindungen, die sämtlich einen sauren Charakter gegenüber
Ammoniak haben, sind übliche Verunreinigungen in Gasen, die bei der Alkylierung von Erdölkohlenwasserstoffen, bei
der Krackung, bei der Herstellung von verflüssigtem Erdölgas,
bei der Ammoniaksynthese, bei der Luftverflüssigung und -zerlegung, bei der Erdgasverflüssigung u. dergl.
verwendet werden. Diese Gase, die die vorstehend genannten sauren gasförmigen Verunreinigungen enthalten, enthalten
wenigstens eine der Verbindungen Stickstoff, Wasserstoff und Alkane und Alkene mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen
oder ein Gemisch von 2 oder mehreren dieser Verbindungen.
Es ist nicht entscheidend wichtig, wie die Zeolithe mit
Ammoniak vorbeladen werden. Zweckmäßig wird hierzu
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Ammoniak allein oder in Kombination mit einem Inertgas wie
Wasserstoff oder Stickstoff über den Zeolith geleitet, der aktiviert worden ist, indem eine wesentliche Menge, vorzugsweise
praktisch die Gesamtmenge des Wassers, das in den inneren Hohlräumen des Zeolithe vorhanden ist, wenn
der Zeolith aus einem wässrigen fieaktionsgemisch oder Gel
kristallisiert worden ist, durch Erhitzen entfernt wird.
Unter diesen Bedingungen adsorbieren nicht alle zeolithischen Molekularsiebe die gleiche Ammoniakmenge in einer
■k gegebenen Zeit, jedoch lassen sich die optimalen Bedingungen
für die Beladung jedes gegebenen Zeoliths mit Ammoniak leicht durch einfache Routinetests bestimmen.
Das aktivierte Zeolithbett, das in dieser Weise mit 0,1 bis
10 Gew.-% Ammoniak beladen worden ist, wird anschließend
in Betrieb genommen, d.h.· in das Leitungsnetz eines Gases geschaltet, das die saure gasförmige Verunreinigung enthält,
wobei man dae Gas über das Bett strömen läßt. Während der Adsorption eines oder mehrerer saurer Gase ist die Temperatur
des Molekularsiebbetts nicht wesentlich. Biese Temperatur kann zwischen etwa -50 und 100°0 liegen.
Zwei Proben von granulierten kristallinen Molekularsieben,
die durch Erhitzen auf 35O0O unter vermindertem Druck aktiviert
worden waren, wurden in einzelne Kolonnen gefüllt. Die eine Probe bestand aus der Calciumform von Zeolith A
und hatte einen effektiven Porendurchmesser von etwa 5 &»
während die andere Probe aus der Natriumform von Zeolith Σ mit einem effektiven Porendurchmesser von etwa 8 bis 9 ^
bestand. Durch die beiden Kolonnen wurde trockener Stickstoff, der 2 Vol.-% Ammoniak enthielt, bei 2880C und einem
Druck von 4,9 kg/cm in einer Menge von 4,39 & /Stunde geleitet,
bis in jedem Fall die Gleichgewichtabeladuiig mit
Ammoniak erreicht war. Es wurde festgestellts daß die Probe
von Oalcium-Zeolith A mit 2,1 Gew.-% Ammoniak beladen war
90984 1/1312
und die Probe von Natrium-Zeolith X etwa 1,1 Gew.-% adsorbiertes
Ammoniak enthielt.
Um das Adsorptionsvermögen der Zeolithproben mit und ohne
adsorbiertes Ammoniak zu vergleichen, wurden zwei weitere Proben des gleichen Calcium-Zeoliths A und des gleichen
Natrium-Zeoliths X wie in Beispiel 1 unter den gleichen Bedingungen
wie in Beispiel 1 aktiviert (dehydratisiert) und
in die gleichen Kolonnen gefüllt, in denen die in Beispiel 1 genannten Proben mit Ammoniak vorbeladen wurden. Durch
jede Kolonne wurde Luft, die 300 Raumteile COp und 1200
Raumteile HP0 pro Million Raumteile enthielt, in einer Menge
von 70,8 l/Minute unter einem Druck von 2,5 kg/cm bei
einer Temperatur von 240C geleitet, bis die G-leichgewichtsbeladung
der Schichten erreicht war. Der Durchbruch und die Werte der COg-Adsorpticn sind in der folgenden Tabelle
angegeben.
Probe Zeolith
Vorbeladung Zeit bis mit Ammo- zum Durchniak, Gew«-# bruch,
Min.
Stöchiometrische Beladung mit COoi
a Calcium-Zeolith A 2,1
b Calcium-Zeolith A 0
c Natrium-Zeolith X 1,1
d Natrium-Zeolith X 0
78 52 90
2,0 1,2
1,1
Wie die Werte in der vorstehenden Tabelle zeigen, war das
Aufnahmevermögen des mit Ammoniak vorbeladenen Zeolithe für OO2 in jedem Fall sehr stark erhöht.
Um zu veranschaulichen, daß mit Ammoniak vorbeladene Zeolithe, die adsorbiertes CO2 enthalten, vollständig regener
riert werden können, wurde durch die mit Ammoniak und CO2
beladene Probe "c" von Beispiel 2 Stickstoff bei 2600C in
der gleichen Richtung wie die CO2 und H2O enthaltende Luft
41/1312
geleitet. Nachdem das Ammoniak und das COp vollständig ausgetrieben waren, wurde durch die Probe erneut die gleiche GOp und HpO enthaltende Luft wie in Beispiel 2 geleitet.
Das Aufnahmevermögen für GO2 war fast das gleiche wie
bei der Probe "d" von Beispiel 2.
Zwei Proben von Natrium-Zeolith Σ wurden aktiviert, indem
sie während der gleichen Zeit unter vermindertem Druck auf 55O0G erhitzt wurden. Nach der Aktivierung wog jede Probe
39?8 g. Eine Probe wurde mit 0,37 6 Ammoniak vorbeladen.
Durch beide Proben wurde Stickstoff, der Carbonylsulfid
^enthielt, n , ?
(GOS) 24- Stunden bei 25 0 unter einem Druck von 8,1 kg/cm
unter statischen Bedingungen geleitet* Nach Ablauf der 24- Stunden betrug die GOS-Dämpfekonzentration im Stickstoff
über der mit Ammoniak vorbeladenen Probe 13 Raumteile pro Million, während im Falle der Vergleichsprobe die GOS-Konzentration
im Stickstoff 171 Raumteile pro Million betrug.
Durch zwei Adsorptionsmittelschichten von in gleicher Weise aktiviertem Zeolith L, der in einem lall mit 6 Gew.-%
Ammoniak vorbeladen und im anderen lall nicht mit Ammoniak vorbeladen worden war, wurde ein Gasgemisch bei 500G und
2 ·
7 kg/cm geleitet. Das Gasgemisch bestand aus gleichen
Raumteilen Äthylen, Propylen, Ithan und Propan und enthielt
als Verunreinigungen $e 10 Raumteile H2S, GSg und Methylmercaptan
pro Million Raumteile. Es zeigte sich, daß die Zeit bis zum Durchbruch der Verunreinigungen (die erste
durchgebrochene Verunreinigung war OS2) bei dem mit Ammoniak vorbeladenen Zeolithbett 50% langer war als bei dsm
nicht mit Ammoniak vorbeladenen Zeolith.
In diesem Beispiel bestand eine der Verunreinigungen aus
einem Alkylmercaptan, dessen Molekülgröße ein Molekularsieb
einer Porengröße von wenigstens etwa 4- Ä erfordert. Zwar
können die meisten sauren Verunreinigungen mit einem zeo-
909841/1312
lithischen Molekularsieb einer Porengröße von wenigstens
3 Ä adsorbiert werden, jedoch können größere Poren den
Vorteil höherer Adsorptionsgeschwindigkeiten haben. Wenn das Alkylmercaptan eine verzweigte Verbindung ist, müssen die Poren größer als etwa 6 Ä sein.
Vorteil höherer Adsorptionsgeschwindigkeiten haben. Wenn das Alkylmercaptan eine verzweigte Verbindung ist, müssen die Poren größer als etwa 6 Ä sein.
Durch zwei Adsorptionsmittelschichten aus in gleicher Weise aktiviertem Zeolith L, der in einem Fall mit 6 Gew.-%
Ammoniak vorbeladen worden war und im anderen Fall kein
Ammoniak enthieltr wurde ein Gasgemisch bei 5O0O und 7 kg/ cm geleitet. Bas Gasgemisch bestand aus Stickstoff, das als Verunreinigungen je etwa 20 ppm NOp und SOo enthielt· Im Falle des mit Ammoniak vorbeladenen Zeolithe war die
Zeit bis zum Durchbruch der Verunreinigungen 50% länger.
Ammoniak enthieltr wurde ein Gasgemisch bei 5O0O und 7 kg/ cm geleitet. Bas Gasgemisch bestand aus Stickstoff, das als Verunreinigungen je etwa 20 ppm NOp und SOo enthielt· Im Falle des mit Ammoniak vorbeladenen Zeolithe war die
Zeit bis zum Durchbruch der Verunreinigungen 50% länger.
Claims (2)
- PatentansprücheVerfahren zur Reinigung von Gasen, die COg, COS, CSp, SO2 und Alkylmercaptane mit 1 bis 5 C-Atomen im Alkylrest jeweils allein oder in Mischung als saure gasförmige Verunreinigungen enthalten, durch Adsorption wenigstens eines dieser sauren Gase oder ihrer Gemische an einem aktivierten zeolithischen Molekularsieb, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas durch eine Schicht eines aktivierten kristallinen zeolithischen Molekularsiebs leitet, dessen Poren groß genug sind, um Ammoniak und wenigstens eine der im Gas enthaltenen verunreinigenden sauren Gase zu adsorbieren, und an dem vorher etwa 0,1 bis 10 Gew.-% Ammoniak, bezogen auf das Gewicht des aktivierten Molekularsiebs, adsorbiert worden sind·
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die verunreinigenden sauren Gase enthaltende Gas wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe Hg, Ng, Alkene mit 1 bis 6 C-Atomen und Alkane mit 1 bis 6 C-Atomen enthält.3* Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas behandelt wird, das aus einem Gemisch von Kohlendioxyd, Stickstoff und Wasser besteht»
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