V18_Adsorption_Skript
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Praktikum „Technische Chemie“ Europa Fachhochschule Fresenius, Idstein SS 2010 Versuch 18 Adsorption Betreuer: Michael Jusek ([email protected], Tel: +49-69-7564-339) Symbolverzeichnis A b c E [J] F h hz ΔHa m [-] [m] [m] [J] [kg] Adsorptionspotential Adsorptionskoeffizient Konzentration charakteristische Energie, welche demjenigen Potential A des Bezugsadsorptives entspricht, welches zum Mikroprenfüllungsgrad von 0.368 gehört Symetriefaktor (~0.33) Schüttschichthöhe Adsorptionszone Adsorptionsenthalpie Masse m [kg s-1] [g mol-1] [mol] [mol] [Pa], [bar] [J K-1 mol-1] [s] [K], [°C] in den Adsorber eintretender Massenstrom molare Masse adsorbierte Stoffmenge maximal adsorbierte Menge (Grenzwert) Partialdruck der Komponente i allgemeine Gaskonstante (=8.314) Zeit Temperatur X y [l s-1] [mol mol-1] [mol mol-1] Volumenstrom Beladung Stoffmengenanteil des Adsorptivs im Gas θi [mol mol-1] adsorbierter Anteil der Komponente i M na n∞ pi R t T V [g m-3] [J] Indizes A Ad d E h krit R S tot Ausgang Adsorbens Durchbruch Eingang Halbwertszeit kritisch aktuelle Umgebungswerte (Druck, Temperatur) Sättigung Tot-volumen und –zeit, 1 Einleitung Die Adsorption ist ein wichtiges thermisches Trennverfahren, das in der chemischen Industrie und artverwandten Industriezweigen, aber auch zunehmend in der Umwelttechnik angewendet wird. In diesem Versuch wird die Abtrennung einer in einem Abgasstrom enthaltenen Komponente mit Hilfe eines Festbett-Adsorbers anhand eines Modellsystems untersucht. Dabei sollen Kenntnisse über adsorptive Trennverfahren, insbesondere das Verständnis für die im Adsorber ablaufenden Teilvorgänge und deren wichtigste Einflussgrößen vermittelt werden. Mit der Messung von Durchbruchskurven wird eine in der Praxis häufig angewandte Untersuchungstechnik vorgestellt, und die dazugehörige Auswertemethodik wird erläutert. Die Adsorption wird in der Umwelttechnik außer zur Wasser- und Abwasseraufbereitung hauptsächlich zur Abgasreinigung eingesetzt, insbesondere dann, wenn die Konzentration der Verunreinigungen im Abgas gering ist oder die Rückgewinnung als Wertstoff (z.B. Schwefeldioxid-Reichgas, Lösungsmittel) angestrebt wird. Im Einzelnen gibt es zurzeit folgende Hauptanwendungsgebiete [1]: - Verfahren zur Entschwefelung von Abgasen (Rauchgas, Claus-Prozess-Abgas, Abgase chemischer und metallurgischer Prozesse), - Verfahren zur Simultanabscheidung von Schwefeldioxid und Stickoxiden aus Rauchgas (Adsorptionskatalyse), - Verfahren zur Lösungsmittel-Rückgewinnung, - Verfahren zur adsorptiven Abtrennung von Geruchsstoffen oder organischen Substanzgemischen (Reinigung der bei der Altlastensanierung anfallenden Abluftströme, Reinigung der Abluft von Viskosebetrieben zur Abtrennung von Schwefelkohlenstoff und Schwefelwasserstoff) und - Verfahren zur Entfernung radioaktiver Komponenten aus Abgasen von Kernkraftwerken und Wiederaufarbeitungsanlagen. Darüber hinaus sind einige speziellere Anwendungen bekannt (z.B. die NOx-Abtrennung aus der Salpetersäure-Produktion). Ein weiteres Anwendungsgebiet der Adsorption ist die Feinreinigung von Abgasen aus der thermischen Abfallbehandlung (Abtrennung von polychlorierten Dibenzodioxinen und polychlorierten Dibenzofuranen, Schwermetallen, SO2, HCl und HF) [2]. 2 Grundlagen An der Phasengrenzfläche fester Stoffe können Moleküle aus der umgebenden Gasphase gebunden (angereichert) werden. Dieser Vorgang wird als Adsorption bezeichnet. Den entsprechenden Feststoff bezeichnet man als Adsorbens, die adsorbierte Phase als Adsorbat und die freien, nicht adsorbierten Moleküle als Adsorptiv. Zwischen den an der Grenzfläche adsorbierten und den im Gasraum befindlichen Molekülen stellt sich bei gegebener Temperatur ein Gleichgewicht ein, das durch die folgende Beziehung gekennzeichnet ist: na f (c )T oder na h( p )T . (1) Dabei stellt na die adsorbierte Stoffmenge dar, die wegen der meist unbekannten Oberfläche des Adsorbens auf die Adsorbensmasse bezogen wird. Weiterhin bezeichnet c die Konzentration und p den Partialdruck in der Gasphase (in der Technik wird häufig die adsorbierte Masse X, auch als Beladung bezeichnet, verwendet). Zur Beschreibung von Adsorptionsgleichgewichten ist eine Vielzahl von Adsorptionsisothermen vorgeschlagen worden. An dieser Stelle sollen nur die klassischen Gleichungen angeführt werden (für eine ausführliche Darstellung siehe [1, 5, 6]). Die Gleichung von LANGMUIR wurde auf der Basis kinetischer Vorstellungen für eine homogene Adsorbensoberfläche, monomolekulare Bedeckung und Vernachlässigung der Wechselwirkungen der Adsorbatmoleküle untereinander hergeleitet: na n bp 1 b p . (2) Mit n wird der maximal erreichbare Grenzwert der Adsorption bezeichnet. Die Konstante b wird Adsorptionskoeffizient genannt. Umfasst das System mehrere Adsorptive, so kann der adsorbierte Anteil i der Komponente i mit i na,i n bi pi 1 bi pi i 3 (3) bestimmt werden, wobei ihr Adsorptionskoeffizient durch bi und ihr Partialdruck durch pi gegeben ist. Während die LANGMUIR-Gleichung für Gase im Allgemeinen nur oberhalb des kritischen Punktes oder bei kleinen Partialdrücken Gültigkeit besitzt, konnten BRUNAUER, EMMET und TELLER Beziehungen ableiten, die auch unterhalb des kritischen Punktes für einen größeren Druckbereich gelten (BET-Gleichungen). Sie gingen von der Annahme aus, dass bei höheren Partialdrücken bzw. tieferen Temperaturen Mehrschichtadsorption auftreten kann, und berücksichtigten ferner eine mögliche Kapillarkondensation. Diese Gleichungen haben für Strukturuntersuchungen und Oberflächenbestimmungen von Katalysatoren und Adsorptionsmitteln große Bedeutung. Auf Grund von Kondensationseffekten ist eine Vorhersage allerdings nur bis p/pi ≤ 0.3 möglich. Die Isothermengleichung von FREUNDLICH: na a p 1 m (4) wurde ursprünglich empirisch aufgestellt. Dies zeigt sich an den empirischen Parametern a (Freundlich-Koeffizient) und m (Freundlich-Exponent). Unter der Voraussetzung einer logarithmischen Abnahme der Adsorptionsenthalpie mit steigender Beladung (energetisch inhomogene Oberfläche) kann sie aus der LANGMUIR-Gleichung abgeleitet werden. Obwohl bei der Mehrzahl technisch eingesetzter Adsorbentien zwar eine energetisch heterogene Oberfläche vorliegt, besitzt die FREUNDLICH-Gleichung den entscheidenden Nachteil, dass diese bei hohen Partialdrücken keinem Grenzwert der Adsorption zustrebt. Basierend auf der von POLANYI aufgestellten Potentialtheorie haben DUBININ und Mitarbeiter eine Isothermengleichung für mikroporöse Adsorbentien vorgeschlagen, welche häufig DUBININ-ASTEKHOV-Isotherme genannt wird: na n e A E 2 . (5) E stellt eine charakteristische Energie dar1. Das Adsorptionspotential A beschreibt den Verlust der freien Energie durch die Adsorption oder anders ausgedrückt den 1 E repräsentiert die Energie, welche demjenigen Potential A des Bezugsadsorptives entspricht, die zum Mikroporenfüllungsgrad von 0.368 gehört [7]. 4 Unterschied der chemischen Potentiale im flüssigen und adsorbierten Zustand. A ist hierbei definiert als: A RT ln( pS / p ) , (6) wobei im Gebiet oberhalb der kritischen Temperatur (T > Tkrit) der Sattdampfdruck mit 2 T pS pkrit Tkrit bestimmt wird. Nach dieser Theorie führt sorbat im Bereich der Mikroporen durch gegenüberliegender Wände zur völligen Gleichung hat sich insbesondere bei der molekularsieben und Zeolithen bewährt. (7) das als flüssige Phase aufgefasste AdÜberlappung der Adsorptionspotentiale Ausfüllung des Porenvolumens. Diese Adsorption an Aktivkohlen, Kohlenstoff- Die Temperaturabhängigkeit der Adsorption kann durch einen Arrhenius-Ansatz des Adsorptionskoeffizienten b b0 e H a RT (8) wiedergegeben werden. Ha ist hierbei die Adsorptionsenthalpie. Die Adsorption ist ein exothermer Vorgang, woraus sich ableitet, dass die Gleichgewichtsbeladung mit steigender Temperatur abnimmt. Trennung von Gasen durch Adsorption Eine vollständige Trennung zweier Gase durch Adsorption ist prinzipiell ebenso wenig möglich wie durch Extraktion oder Rektifikation, da auch die Adsorption über Gleichgewichte verläuft und jede der beiden Komponenten adsorbiert wird. Praktisch kommt man aber im Gegensatz zu den genannten anderen Möglichkeiten in allen Fällen mit industriell akzeptablem Aufwand zu einer befriedigenden Trennung. Die Trennung wird umso besser sein, je unterschiedlicher die Adsorbierbarkeit der beiden Gase an dem gewählten Adsorbens ist. Die Adsorbierbarkeit eines Gases an einem Adsorptionsmittel ist von den physikalischen und chemischen Eigenschaften 5 sowohl des Gases als auch des Adsorptionsmittels abhängig. Als Faustregel gilt, dass aus Gasgemischen, die in Berührung mit einem Adsorbens stehen, das Gas am stärksten adsorbiert wird, das den höchsten Siedepunkt hat. In der Technik findet jedoch eine kontinuierliche Arbeitsweise Anwendung, d.h. das zu trennende Gasgemisch, z.B. mit Lösungsmitteldampf beladene Luft, wird durch Türme oder Kessel geleitet, die mit einem entsprechenden Adsorptionsmittel gefüllt sind. Nach Durchströmen einer hinreichend langen Schicht ist das Lösungsmittel nahezu vollständig aus der Luft entfernt. Innerhalb der Kolonne bildet sich nach einer gewissen Betriebszeit die so genannte Adsorptionszone (auch bezeichnet als Massentransferzone) aus. Darunter versteht man die Schichtlänge des Adsorbens, innerhalb der die Konzentration des Adsorptivs im Trägergas von der Eintrittskonzentration cE auf eine geringe Restkonzentration (cA 0) abfällt. Die Beladung des Adsorbens fällt längs dieser Schicht von der Sättigungsbeladung XE (Gleichgewichtsbeladung für die Eintrittskonzentration cE) auf die Beladung XA 0 ab (Abb. 1). X, c hz cE XE Strömungsrichtung A Adsorbensschichtlänge Abb. 18.1. Verlauf der Adsorptivkonzentration im Gas (c) und der Beladung (X) entlang des Adsorbers mit hz als Adsorptionszone und A als Austrittspunkt aus der Adsorptionszone. Der Index E gibt Gleichtgewichtszustände an. Das Auftreten einer Adsorptionszone endlicher Länge ist darauf zurückzuführen, dass sich zu jeder Zeit an jedem Querschnitt des Adsorbensschicht durch Stoffaustausch zwischen Gas und Oberfläche (Adsorption und Desorption) bestenfalls das der momentanen Gaskonzentration entsprechende Gleichgewicht einstellen 6 kann. Die Länge der Adsorptionszone ist daher durch die für das System maßgebende Adsorptionsisotherme und die Anfangsbeladung der strömenden Phase bestimmt. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass zur Gleichgewichtseinstellung eine endliche Zeit nötig ist, die sich aus der Adsorptions- und Desorptionsgeschwindigkeit ergibt. Je unvollständiger sich die lokalen Gleichgewichte einstellen, desto länger wird die Adsorptionszone. Bei fortlaufendem Betrieb des Adsorbers wandert die Adsorptionszone auf den Ausgang zu. Schließlich erreicht Punkt A das Ende der Schicht und fortan tritt Adsorptiv im ausströmenden Gas in messbaren Mengen auf (c/cE > 0). Den Zeitpunkt, zu dem das erste Mal Adsorptiv nachweisbar wird, bezeichnet man als ,,Durchbruchspunkt‘‘ des Adsorbers, die entsprechende Zeit als Durchbruchszeit tD. Die Änderung der Adsorptivkonzentration im austretenden Gas mit der Zeit wird als ,,Durchbruchskurve‘‘ bezeichnet (Abb. 2). Die Adsorptivkonzentration c im austretenden Gas nimmt daraufhin stetig zu und erreicht schließlich die Eintrittskonzentration cE (c/cE = 1). Der Adsorber ist nun gesättigt, die entsprechende Zeit ist die Sättigungszeit tS. Die Länge der Adsorptionszone ist wirtschaftlich gesehen bedeutungsvoll, da ihr Verhältnis zur Gesamtlänge des Adsorbers die Adsorptionskapazität (Durchbruchsbeladung) des Adsorbers bestimmt. Eine relativ lange Adsorptionszone ist nämlich gleichbedeutend mit einer im Verhältnis zur Sättigungsbeladung kleinen Durchbruchsbeladung. Die Länge der Adsorptionszone hZ lässt sich für einen gegebenen Adsorber mit der Schüttschichthöhe h aus der Durchbruchskurve nach der Beziehung hz X h (1 D ) F XS (9a) errechnen. Hierbei ist F ein Symmetriefaktor, der durch das Flächenverhältnis B/(B+C) der Durchbruchskurve bestimmt wird (siehe Abb. 2). Bei symmetrischer Durchbruchskurve gilt F = ½ und hz 2h(1 XD ) XS . (9b) Die Durchbruchsbeladung XD ergibt sich aus der Durchbruchszeit tD: XD m tD mAd , 7 ( 10 ) wobei m der in den Adsorber eintretende Massestrom des Adsorptivs ist und mAd die Masse des Adsorbens darstellt. c/cE 1 B C tD tS tH t Abb. 18.2. Durchbruchskurve eines Adsorbers mit der Durchbruchszeit tD, „Halbwertszeit“ tH= t0.6 und tS, dem Zeitpunkt bis zur Erreichen der Sättigungskonzentration. B und C geben die Flächen zur Berechnung des Symmetriefaktors F=B/(B+C) an. Die Sättigungsbeladung Xs kann analog aus der Sättigungszeit ts berechnet werden, wobei aber der Adsorptivanteil, der nach dem Durchbruch aus dem Adsorber abströmt, zu subtrahieren ist: XS m m Ad tS c 0 cE ( tS dt ) . (11) Ist eine Adsorptionskolonne bis zum Durchbruch beladen, muss die Beladung desorbiert werden. Hierdurch wird die Regenerierung der Adsorptionskolonne erreicht und das Adsorptiv in konzentrierter Form gewonnen. Je nach Wert des Adsorptivs steht die Regenerierung der Adsorptionskolonne oder die Gewinnung des Adsorptivs an erster Stelle. Desorption kann durch alle Operationen, die das Gleichgewicht in der Gasphase stören, erreicht werden. Erwähnt sei die (Partial-) Druckerniedrigung des Adsorptivs im Gasraum, die beispielsweise bei der Desorption von Lösungsmitteldämpfen durch Spülen mit Hilfsgasen (Luft) oder durch Anlegen eines Vakuums (Abpumpen) erzielt werden kann, sowie eine Temperaturerhöhung, wobei das Gleichgewicht stark zur Gasseite hin verschoben wird. In technischen Ausführen werden meist mehrere Adsorber parallel betrieben. Während auf den Einen adsorbiert wird, werden die Anderen regenieriert. 8 Oftmals kann das Adsorbat durch Desorption nicht oder nur unter extremen Bedingungen nach entsprechend langer Desorptionszeit völlig vom Adsorbens entfernt werden. Man spricht dann von einer Restbeladung und versteht darunter die Beladung, die nach der Desorption auf dem Adsorbens zurückbleibt. Restbeladungen sind meist auf Chemisorption zurückzuführen. Weiterführende Literatur [1] Kast, W.: Adsorption aus der Gasphase - ingenieurwissenschaftliche Grundlagen und technische Verfahren, 1. Aufl., Verlag Chemie, Weinheim, 1988. [2] Richter, E.: Die Abscheidung von polychlorierten Dioxinen und Furanen mit Aktivkoksverfahren, Chem. Ing. Tech. 64 (1992), 125 – 136. [3] Wirth, H.: Adsorption, in Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, 4. Aufl., Verlag Chemie, Weinheim, Bd. 2, 1972. [4] Brauer, H.: Die Adsorptionstechnik - ein Gebiet mit Zukunft, Chem. Ing. Tech. 57 (1985), 650 – 666. [5] P. Grassmann, F. Widmer, H. Sinn: Adsorption in Einführung in die thermische Verfahrenstechnik, 3. Aufl., Gruyter, 1997. [6] M. Baerns, A. Behr, A. Brehm: Adsorption in Technische Chemie, 1. Aufl. Wiley-VCH, 2006. [7] S. Sander: Bestimmung von Adsorptionsgleichgewichten und Evaluation von Adsorptionsgleichgewichtsmodellen, Dissertation, Universität Oldenburg, 2000. Versuchsdurchführung Aufgabe Es soll die Durchbruchs- und Sättigungsbeladung für die Adsorption von Kohlendioxid aus einem Stickstoff-Trägergasstrom an Aktivkohle für zwei verschiedene Parametersätze (Variation der Temperatur oder des Durchsatzes) bestimmt und mit Hilfe der experimentellen Ergebnisse die Länge der Adsorptionszone berechnet werden. Anschließend sollen die experimentellen Daten mit denen einer Simulation verglichen werden. 9 Apparatebeschreibung Die dynamische Adsorptionsapparatur ist ein Eigenbaugerät, das für die Aufnahme von Einkomponenten-Durchbruchskurven bei Normaldruck im Temperaturbereich von 0°C bis 90°C und Gasvolumenströme zwischen 4 und 40 l h–1 geeignet ist. Der Aufbau der Apparatur ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Festbett-Adsorber (3) ist ein mit einer Adsorbens-Schüttschicht variabler Höhe gefülltes Rohr mit einem Durchmesser von d = 12 mm. Die Wandtemperatur des Adsorbers wird über ein im Doppelmantel geführtes Heizmedium eingestellt und durch einen Flüssigkeitsthermostaten (4) geregelt. Die Temperatur in der Schüttschicht kann mit einem Thermoelement erfasst und auf einem Schreiber (5) ausgegeben werden. Das Gasgemisch wird einer Druckgasflasche (1) entnommen oder, bei Einsatz von Dämpfen, durch Durchleiten eines schwach adsorbierenden Trägergasstromes durch einen flüssigkeitsgefüllten temperierten Sättigungsbehälter eingestellt. Das Trägergas wird der zentralen Gasversorgung oder einer Druckgasflasche (2) entnommen. Weitere wesentliche Teile der Apparatur sind die Durchflussmesser (D1, D2, D3) für die entsprechenden Gasströme, die Vier-Wege-Hähne (H1, H2) zum Umschalten der Gasströme, ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor WLD (6) mit dem Schreiber (5) zur Gasanalyse (Aufzeichnung der Durchbruchkurve) und die Seifenblasenströmungsmesser (S1, S2) zur Bestimmung der Gasvolumenströme. Der Druck am Adsorbereingang kann mit dem Absolutdruckmanometer (M1) und der Differenzdruck zwischen Adsorber und Bypass mit dem Differenzdruckmanometer (M2) gemessen werden. Im Falle der Desorption durch Druckabsenkung kann der Unterdruck am Vakuummeter (M3) abgelesen werden. Eventuelle Druckunterschiede zwischen Adsorber und Bypass werden durch Verstellen des Nadelventils (N) ausgeglichen; die Kontrolle des Druckunterschiedes erfolgt mit dem Differenzdruckmanometer M2. 10 N 5 H2 6 S1 M M H1 2 D2 3 S2 D1 4 1 D3 M Abb. 18.3. Schema der Apparatur (1: Gasgemisch, 2: Spülgas, 3: Adsorber, 4: Flüssig keitsthermostat, 5: Schreiber, 6: WLD, D: Durchflussmesser, H; Vier-Wege-Hähne, M: Manometer, S: Seifenblasenströmungsmesser). Durchführung der Messung Probenanforderungen und - vorbereitung Die Messung der Durchbruchskurven kann mit allen technisch verwendeten mikroporösen Adsorbentien durchgeführt werden. Beispiele sind: - Aktivkohlen / Aktivkoksen, - Kohlenstoffmolekularsiebe, - Zeolithe, - Schichtsilikate (Aktivtonerden) und - Silicagele. Das zur Füllung des Reaktors benötigte Probenvolumen beträgt ca. 15 bis 25 ml. 11 Der mittlere Korndurchmesser der eingesetzten Adsorbentien sollte zur Begrenzung des Druckverlustes und zur Vermeidung von Kanalbildung in der Schüttschicht im Bereich von 0.5 – 2 mm liegen. Die abgewogene Probe wird in das Reaktorrohr eingefüllt und der Reaktor gewogen. Danach wird die Probe für ca. 8 Stunden bei konstanter Temperatur im Inertgasstrom ausgeheizt. Die Temperatur wird im Bereich von 200 – 450°C gewählt und der Gewichtsverlust wird bestimmt. Durchführung Der Adsorber ist bereits mit einer Aktivkohle gefüllt (Lurgi, Desorex AS IV, Schütthöhe ca. 440mm, Durchmesser 12mm). Das Gewicht der eingefüllten Aktivkohle betrug vor dem Ausheizen 22.0 g. Nach der Aktivierung im Inertgasstrom (6 h bei 150°C) wurde ein Gewichtsverlust von 3.0 g festgestellt. Für die Aufnahme der Durchbruchskurve wird ein in einer Druckgasflasche vorgelegtes Gasgemisch (4.93Vol.% CO2 in N2) genutzt. Im Ausgangszustand werden die Gaswege so geschaltet, dass das Gasgemisch im Bypass zum Adsorber fließt, d.h. aus der Druckgasflasche (1) über den Durchflussmesser (D1), den Vier-Wege-Hahn (H1), das Nadelventil (N) und den Vier-Wege-Hahn (H2) zum Seifenblasenströmungsmesser (S2). Dagegen fließt Spülgas von der zentralen Gasversorgung (2) über den Durchflussmesser (D2), den Vier-Wege-Hahn (H1), den Adsorber und den Wärmeleitfähigkeitsdetektor (6) zum Seifenblasenströmungsmesser (S1). Über den Durchflussmesser (D3) fließt Spülgas durch die Vergleichszelle des WLD. Mit Hilfe der Durchflussmesser werden die vorgegebenen Gasvolumenströme eingestellt. VD1 : 10 l h–1, VD 2 : 10 l h–1 und VD 3 : 4 l h–1. Die Ströme D1 und D2 werden mit den Seifenblasenströmungsmessern (S1) und (S2) kontrolliert. Hierzu ist ein Volumen von 60 cm3 an den Seifenblasenströmungsmessern markiert, welches in 3.6 ± 0.1 s durchströmt werden soll. Eventuelle Druckunterschiede zwischen Adsorber und Bypass werden durch Verstellen des Nadelventils (N) beseitigt; die Kontrolle erfolgt mit dem Differenzdruckmanometer (M2). 12 Die gewünschte Adsorptionstemperatur wird über den Flüssigkeitsthermostaten eingestellt. Der Adsorptionsdruck liegt zwangsläufig immer etwas über dem Umgebungsdruck. Der am Absolutdruckmanometer abgelesene Druck ergibt, zum Umgebungsdruck addiert, den Gesamtdruck im Adsorber. Sind alle vorgegebenen Parameter eingestellt, kann die Messung der Durchbruchskurve durch Umschalten des Vier-Wege-Hahnes (H1) gestartet werden, wodurch das Gasgemisch durch den Adsorber und das Spülgas über den Bypass geleitet werden. Mit dem WLD und dem angeschlossenen Schreiber (5) wird die Konzentration des Adsorptivs in dem aus dem Adsorber abströmenden Gas und die Temperatur in der Schüttschicht kontinuierlich erfasst (Papiervorschub: 3 cm min–1, auf die korrekte Skalierung der Schreiber ist zu achten). Ist die Durchbruchskurve vollständig aufgezeichnet, wird der Vier-Wege- Hahn (H1) wieder in die ursprüngliche Stellung gebracht. Der nun wieder durch den Adsorber geleitete Spülgasstrom führt zur Desorption des Adsorbats (Regenerierung). Wenn die Desorption abgeschlossen ist (Kontrolle über WLD), kann die nächste Durchbruchskurve in analoger Weise aufgenommen werden. Führen Sie die Adsorptionsmessungen bei 20°C, 30°C, 40°C, 50°C und 60°C mit konstanten Volumenströmen ( VD1 = VD 2 = 10 l h–1, VD3 = 4 l h–1) durch. Zum Einstellen von T=20°C ist je nach Umgebungstemperatur die Kühlung des Thermostates mit Eis notwendig. Anschließend halten Sie die Temperatur bei 30°C konstant und setzen VD1 = VD 2 = 5 l h–1 und VD1 = VD 2 = 15 l h–1 bei jeweils VD 3 = 4 l h–1. Versuchsauswertung Auf der Basis der aufgezeichneten Durchbruchskurven sind die jeweiligen Durchbruchs- und Sättigungsbeladungen sowie die Höhe der Massentransferzone zu berechnen. Da die Bestimmung des Integralausdruckes in Gleichung (11) durch numerische Integration relativ aufwendig ist, soll die Sättigungsbeladung unter Einbeziehung der so genannten Halbwertszeit tH, d.h. der Zeit, nach der am Ausgang des Adsorbers die halbe Eingangskonzentration anliegt, berechnet werden. Aufgrund 13 der Unsymmetrie der Durchbruchskurve wird allerdings nicht tH = t0.5, sondern tH = t0.6 herangezogen. Damit ergibt sich die Sättigungsbeladung zu: XS m t0.6 mAd . (12) Der für die Berechnung benötigte Massenstrom m für das Adsorptiv berechnet sich aus dem unter Raumbedingungen gemessenen Gasvolumenstrom VR mit Hilfe des idealen Gasgesetzes: VR y m pR M RTR , (13) wobei y der Stoffmengenanteil der Adsorptivs im Gas, pR der Luftdruck, R die allgemeine Gaskonstante und TR die Raumtemperatur ist. Es muss beachtet werden, dass die im Versuch ermittelten Zeiten tD, tS und t0.6 durch Subtrahieren der Totzeit der Apparatur (Zeit zum Durchströmen der Apparatur, ohne dass Adsorption stattfindet) korrigiert werden müssen. Die Totzeit ttot ergibt sich aus dem vorab bestimmten und damit bekannten Totvolumen der Apparatur (Vtot = 50 ml) und den jeweils vorliegenden Bedingungen im Adsorber: t tot V tot V tot p Ad T R V Ad V R p R T Ad (14) Mit dem Index „Ad“ sind die innerhalb des Adsorbers vorliegenden Größen gekennzeichnet. Gleichung (9a) wird zur Ermittlung der Massenübergangszone hz herangezogen. Zur Berechnung des Symmetriefaktors F werden die Flächen entweder durch graphische Integration oder vorzugsweise durch Ausschneiden der Kurve und Auswiegen der Teilstücke bestimmt. Diskutieren Sie den Temperaturverlauf während der Adsorption in der Schüttschicht. Vergleichen Sie die Ergebnisse der Simulation mit denen der Messung. 14 Die Ergebnisse der Simulation werden am Versuchstag ausgeteilt. 15
