Grundlagen der
Adsorption
Teil 3: Adsorbertypen
T. Loeck & L. Michalak | Rinke GmbH
T. Loeck & L. Michalak | Rinke GmbH
Messbar bessere Luft. Mehr Energieeffizienz. Sicherheit.
+49 (0)561 98278-0
Technische Adsorber
Adsorber finden in der Industrie Anwendung, in der die Abluft mit Schadstoffen versetzt ist. Um die Grenzwerte der TA-Luft einzuhalten, können technische Adsorber verwendet werden, insbesondere bei flüchtigen organischen Verbindungen.
Dazu sind nach Anwendungsfall verschiedene Konzepte entwickelt worden, die abhängig von Konzentration und Volumenstrom sind.
Am häufigsten werden Festbettadsorber mit unterschiedlichen Ausführungen verwendet. Festbetten haben keine sich bewegende Schüttung, sondern bleiben starr im Adsorber.
Der Rotorbettadsorber kann sowohl radial als auch axial durchströmt werden, sodass sich das Adsorbens statisch mitbewegt. Durch integrierte Desorptionsstufen lässt sich bei diesem Typen ein kontinuierlicher Prozess realisieren.
Darüber hinaus werden Bewegtbettverfahren verwendet, worin sich das Adsorberbett in dem Schadstoffvolumenstrom zur Adsorption bewegt. Die Desorption findet ebenfalls über ein Wander- oder Wirbelbett statt. Das Adsorbens muss hierbei eine besondere Härte oder Abriebsfestigkeit aufweisen. Durch das bewegte Bett lassen sich Anlagen mit geringeren Dimensionen auslegen.
Flugstromadsorber benutzen staubförmige Adsorbenzien, die dem belasteten Gasvolumenstrom beigefügt werden. Die Partikel werden in einem Gewebefilter aufgefangen, wo sich eine Adsorbensschicht anreichert, die zusätzlich den Gasstrom filtert.
Dazu sind nach Anwendungsfall verschiedene Konzepte entwickelt worden, die abhängig von Konzentration und Volumenstrom sind.
Am häufigsten werden Festbettadsorber mit unterschiedlichen Ausführungen verwendet. Festbetten haben keine sich bewegende Schüttung, sondern bleiben starr im Adsorber.
Der Rotorbettadsorber kann sowohl radial als auch axial durchströmt werden, sodass sich das Adsorbens statisch mitbewegt. Durch integrierte Desorptionsstufen lässt sich bei diesem Typen ein kontinuierlicher Prozess realisieren.
Darüber hinaus werden Bewegtbettverfahren verwendet, worin sich das Adsorberbett in dem Schadstoffvolumenstrom zur Adsorption bewegt. Die Desorption findet ebenfalls über ein Wander- oder Wirbelbett statt. Das Adsorbens muss hierbei eine besondere Härte oder Abriebsfestigkeit aufweisen. Durch das bewegte Bett lassen sich Anlagen mit geringeren Dimensionen auslegen.
Flugstromadsorber benutzen staubförmige Adsorbenzien, die dem belasteten Gasvolumenstrom beigefügt werden. Die Partikel werden in einem Gewebefilter aufgefangen, wo sich eine Adsorbensschicht anreichert, die zusätzlich den Gasstrom filtert.
Einsatzgebiet der Anlagen nach Wnuk
Adsorberbauarten
Adsorberbauarten, vgl. VDI 3674
Anlagetypen
Als Auslegungspunkt wird über die Bauart des Adsorbers diskutiert, rechts sind unterschiedliche Adsorberbauarten aufgeführt. Dabei werden Festbettadsorber, Rotoradsorber, Wanderbettadsorber und Wirbelbettadsorber vorgestellt, wobei der Festbettadsorber den einfachsten Aufbau aufweist.
Aufgrund der meist zu geringen Abriebfestigkeit von technischen Adsorbenzien, werden Wanderbett- und Wirbelbettsysteme meist nur in Müllverbrennungsanlagen verwendet, worin das Adsorbens ebenfalls vernichtet wird.
Der Bau eines Rotorsystems eignet sich bei niedrigen Konzentrationen von << 2 g/m³ und bei Volumenströmen, die größer als 1.000 m³/h sind. Ein Vorteil ist der niedrige Druckverlust durch den Adsorber sowie eine kontinuierliche Prozessführung.
Allerdings sind diese Systeme wesentlich teurer als konventionelle Festbettadsorber, weshalb oft ein „Opfer-Adsorber“ vorgeschaltet wird, um eine Versottung des Rotoradsorbers zu vermeiden.
Aufgrund der meist zu geringen Abriebfestigkeit von technischen Adsorbenzien, werden Wanderbett- und Wirbelbettsysteme meist nur in Müllverbrennungsanlagen verwendet, worin das Adsorbens ebenfalls vernichtet wird.
Der Bau eines Rotorsystems eignet sich bei niedrigen Konzentrationen von << 2 g/m³ und bei Volumenströmen, die größer als 1.000 m³/h sind. Ein Vorteil ist der niedrige Druckverlust durch den Adsorber sowie eine kontinuierliche Prozessführung.
Allerdings sind diese Systeme wesentlich teurer als konventionelle Festbettadsorber, weshalb oft ein „Opfer-Adsorber“ vorgeschaltet wird, um eine Versottung des Rotoradsorbers zu vermeiden.
Versottung bedeutet, dass die Aktivkohlekörner sich durch die Adsorbenzien verkleben und es zu einer ungleichmäßigen Durchströmung kommt. Dadurch staut sich die Wärme an, was im schlimmsten Fall zu Adsorberbränden führt.
Die Anwendung von Aktivkohle in Festbettadsorber ist eine einfache und kostengünstige Adsorptionsmethode zur Beseitigung von VOC in geringen Schadstoffmengen. Durch die sich nicht bewegende Schüttung wird Abrieb des Adsorbens vermieden und der Adsorptionsstrom muss nicht dosiert werden, wie bei Adsorberarten mit bewegender Schüttung.
Potential bietet der Festbettadsorber bei der Verringerung des Druckwiderstandes und der Desorption des Festbettes. Eine kontinuierliche Nutzung wie es bei Rotorsystemen der Fall ist, ist nicht möglich.
Die Anwendung von Aktivkohle in Festbettadsorber ist eine einfache und kostengünstige Adsorptionsmethode zur Beseitigung von VOC in geringen Schadstoffmengen. Durch die sich nicht bewegende Schüttung wird Abrieb des Adsorbens vermieden und der Adsorptionsstrom muss nicht dosiert werden, wie bei Adsorberarten mit bewegender Schüttung.
Potential bietet der Festbettadsorber bei der Verringerung des Druckwiderstandes und der Desorption des Festbettes. Eine kontinuierliche Nutzung wie es bei Rotorsystemen der Fall ist, ist nicht möglich.
Festbettadsorber
Nachfolgend werden die Einsatzgebiete sowie die Vor- und Nachteile des Festbettadsorbers aufgelistet:
Einsatzgebiete:
Einsatzgebiete:
- Abgasreinigung
- Abwasserbehandlung
- Phenolabtrennung
- Lösemittelrückgewinnung
- SO2-Abscheidung
- Pharmaindustrie
- Entfernung von H2S
Vorteile:
Nachteile:
- Einfacher Aufbau
- Günstig
- Entfallen komplexer Schleusensysteme
- Geringer technischer Aufwand
- Nicht störanfällig
- Einfache technische Auslegung
Nachteile:
- Möglichkeit der Versottung
- Hohe Druckverluste
- Ungleichmäßige Verteilung des Fluids
- Quasikontinuierlicher Prozess
- Gefahr durch Adsorberbrände
PSA- und TSA-Systeme
Wie zuvor erwähnt wird der Festbettadsorber am häufigsten eingesetzt. Die Gruppe der Festbettadsorber lässt sich hierbei noch weiter unterteilen.
Ein breites Anwendungsspektrum findet der Wechselbettadsorber, in der das beladene Adsorbens durch ein frisches ausgetauscht wird. Das beladene Adsorbens kann regeneriert und neu verwendet oder technisch sauber entsorgt werden.
Im Konzentrationsbereich zwischen 10 und 100 g/m³ werden nach Bathen häufig PSA-Festbettadsorber bei Volumenströmen bis 1.000 m³/h eingesetzt. PSA steht für pressure swing adosprtion und sorgt für eine Regeneration des Adsorbens, indem verschiedene Druckniveaus angefahren werden. Durch den Unterdruck löst sich das aufkonzentrierte Adsorbat und kann in eine Thermische Nachverbrennung oder Kondensationsanlage verarbeitet werden.
TSA-Systeme (temperature swing adsorption) arbeiten mit unterschiedlichen Temperaturniveaus (mit möglichen Kombinationen der Oxidation (TSA-Ox) oder Wasserdampfregeneration), um das Adsorbens zu regenerieren. Dazu wird meist Wasserdampf in den beladenen Adsorber geleitet. Dies dient der Energiezufuhr, um die bestehenden Verbindungen aufzuspalten. Bei der Wasserdampfdesorption kann das Adsorbat im Wasser gelöst und über eine Destillation getrennt werden, was für die Rückgewinnung der Lösemittel genutzt wird.
Ein breites Anwendungsspektrum findet der Wechselbettadsorber, in der das beladene Adsorbens durch ein frisches ausgetauscht wird. Das beladene Adsorbens kann regeneriert und neu verwendet oder technisch sauber entsorgt werden.
Im Konzentrationsbereich zwischen 10 und 100 g/m³ werden nach Bathen häufig PSA-Festbettadsorber bei Volumenströmen bis 1.000 m³/h eingesetzt. PSA steht für pressure swing adosprtion und sorgt für eine Regeneration des Adsorbens, indem verschiedene Druckniveaus angefahren werden. Durch den Unterdruck löst sich das aufkonzentrierte Adsorbat und kann in eine Thermische Nachverbrennung oder Kondensationsanlage verarbeitet werden.
TSA-Systeme (temperature swing adsorption) arbeiten mit unterschiedlichen Temperaturniveaus (mit möglichen Kombinationen der Oxidation (TSA-Ox) oder Wasserdampfregeneration), um das Adsorbens zu regenerieren. Dazu wird meist Wasserdampf in den beladenen Adsorber geleitet. Dies dient der Energiezufuhr, um die bestehenden Verbindungen aufzuspalten. Bei der Wasserdampfdesorption kann das Adsorbat im Wasser gelöst und über eine Destillation getrennt werden, was für die Rückgewinnung der Lösemittel genutzt wird.
CSA-Systeme (concentration swing adsorption) durchströmen das beladene Festbett mit einem Volumenstrom, der eine geringere Konzentration aufweist, um eine Regeneration über das Gleichgewicht zu erhalten. Dieser Prozess benötigt viel Zeit, weswegen er in der Praxis kaum Anwendung findet. Aktuell wird an weiteren Desorptionsverfahren geforscht, wie beispielsweise das elektrothermische Verfahren (electric-swing-adsorption), was in Stahlwerken zum Einsatz kommen kann.
Literatur: VDI 3674; Adsorptionstechnik (2001), Adsorption aus der Gasphase (1981), Evaluating Design Parameters for Breakthrough Curve Analysis and Kinetics of Fixed Bed Columns for Cu(II) Cations Using Lignocellulosic Wastes (2015)
