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Nov 07, 2023

Fakten zum Anfassen: Physikalisches Gas

1. Mai 2022 | Von Scott Jenkins, Zeitschrift für Chemieingenieurwesen

1. Mai 2022 | Von Scott Jenkins, Zeitschrift für Chemieingenieurwesen

Industriegase sind für eine Vielzahl von Anwendungen in der chemischen Prozessindustrie (CPI) von entscheidender Bedeutung. Viele dieser Gase müssen mithilfe physikalischer Gastrenntechniken, zu denen Membrantrennung, katalytische und Adsorptionsprozesse, kryogene Destillation und andere Technologien gehören, von anderen getrennt werden, beispielsweise Stickstoff aus Luft oder Wasserstoff aus Erdgas. Einige gängige Methoden werden hier besprochen.

Bei der Membrantrennung werden Hohlfasermembranen zur Trennung von Stickstoff und Sauerstoff eingesetzt (Abbildung 1). Die Membrantechnologie wird häufig dann eingesetzt, wenn die Reinheitsanforderungen nicht streng sind. Innerhalb des Membransystems werden viele tausend Hohlfasern in einem Gehäuse untergebracht und an einem Ende mit Druckluft versorgt. Die Faserwand ist für Gase durchlässig, die Diffusionsgeschwindigkeit durch die Faserwand variiert jedoch je nach Gasart. Denn Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid, Argon und andere Spurenverunreinigungen passieren die Wand schneller als Stickstoff und werden abgelassen. Stickstoff verlässt das Membransystem mit einer typischen Reinheit von mehr als 95 %. Benutzer können den Durchfluss durch das System anpassen, um die von einem membranbasierten System erreichte Reinheit zu variieren. Der Vorteil eines membranbasierten Systems besteht darin, dass es keine beweglichen Teile gibt, die Reinheit des Auslasses jedoch je nach Durchflussrate variieren kann.

ABBILDUNG 1. Membrantrennverfahren werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Reinheitsanforderungen nicht besonders streng sind

Druckwechseladsorption (PSA) und Vakuumdruckwechseladsorption (VPSA) werden in Situationen eingesetzt, die eine höhere Reinheit erfordern. Wenn eine Abtrennung von Verunreinigungen im hohen ppm-Bereich (im Gegensatz zur Abtrennung von Verunreinigungen auf prozentualer Ebene) erforderlich ist, ist PSA eine Option (Abbildung 2). PSA-Systeme werden typischerweise zur Vorreinigung von Gasen, die in einen kryogenen Prozess eintreten, und zur Reinigung von Wasserstoff eingesetzt. Die VPSA-Technologie wird für die Floatglasproduktion vor Ort und für Sauerstoff in medizinischer Qualität eingesetzt.

ABBILDUNG 2. Die Druckwechseladsorption ist eine Option, wenn die Abtrennung von Verunreinigungen ein hohes ppm-Niveau erreichen muss

PSA-Systeme bestehen aus parallel arbeitenden Behälterpaaren oder können in Konfigurationen mit mehreren in Reihe geschalteten Behältern konzipiert werden. Jeder Behälter ist mit Adsorptionsmedien wie Kohlenstoffmolekularsieben, Zeolithen und Holzkohle gefüllt. Das zu reinigende Speisegas strömt durch einen oder mehrere Behälter, die typischerweise bei Drücken von mehr als 100 psig betrieben werden. Verunreinigungen im Speisegasstrom werden durch Van-der-Waals-Kräfte (schwache Bindungen, die durch elektrostatische Wechselwirkungen im Nahbereich zwischen molekularen Dipolen entstehen) physikalisch auf der Oberfläche des Mediums adsorbiert (Physisorption). PSA-Systeme nutzen das unterschiedliche Adsorptionsverhalten bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen. Adsorptionsstellen werden von Verunreinigungsmolekülen besetzt, während das gewünschte Gas durch das Medium strömt. Die Kapazität für jede Verunreinigung variiert je nach Medienauswahl und wird häufig durch die Porengröße bestimmt. Wenn Verunreinigungsmoleküle die PSA-Gefäße durchbrechen, muss das Medium regeneriert werden, um die adsorbierten Verunreinigungen zu entfernen. In einem PSA-System ist der Behälter isoliert und das Gas wird schnell auf Atmosphärendruck entlüftet, wodurch die eingeschlossenen Verunreinigungen freigesetzt werden. Der Behälter wird dann wieder unter Druck gesetzt und ist bereit für weiteres Speisegas. Diese Regeneration kann in einer Zykluszeit von Minuten bis Stunden abgeschlossen sein. Bei der Abtrennung von Stickstoff oder Sauerstoff aus Luft ist der Zyklus typischerweise kurz.

Wenn eine Gasreinheit im niedrigen ppm-Bereich erforderlich ist, wird typischerweise die kryogene Destillation verwendet. Kryogene Prozesse basieren auf der physikalischen Trennung von Gasen nach ihren Siedepunkten. Viele Gase können kryogen getrennt werden, die Luftzerlegung wird hier jedoch beschrieben. Druckluft wird gekühlt und dann durch ein Molekularsiebbett geleitet, um Feuchtigkeit, Kohlenwasserstoffe und Kohlendioxid zu entfernen, bevor sie in die Destillationskolonne gelangt. Das in die Säule eintretende Gas wird gegen ausströmende Gase auf kryogene Temperaturen abgekühlt. Um das für die Aufrechterhaltung des Prozesses erforderliche Kältegleichgewicht aufrechtzuerhalten, wird häufig eine Expansionsturbine eingesetzt. Die Luft strömt durch eine Reihe von Böden durch die Kolonne nach oben und trifft auf die Rückflussflüssigkeit, die kaskadenartig die Kolonne hinunterströmt. Aufgrund unterschiedlicher Siedetemperaturen kommt es zur Trennung der Gase. Stickstoff mit einer Reinheit von 99,999 % oder mehr kann direkt als Dampf zugeführt oder zur kryogenen Abgabe verflüssigt werden. Zu den Verunreinigungen im Stickstoff gehören typischerweise Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die einen ähnlichen oder niedrigeren Siedepunkt haben.

1. Warrick, B. und Spohn, D., Considerations for Industrial Gas Purification, Chem. Eng., August 2019, S. 42–46.

2. Keller, T. und Shahani, G., PSA Technology: Beyond Hydrogen Purification, Chem. Eng., Januar 2016, S. 50–53.