Gemischgassorption

Gemischadsorption: dynamische Sorption von Gas- und Dampfgemischen

Aufgabenstellungen wie die

  • Untersuchung der Adsorption von CO2 aus trockener und feuchter Luft
  • Adsorption von Methan aus Biogas
  • Unterscheidung des praxisrelevanten Sorptionsverhaltens von Adsorbentien von Gas- und Dampfgemischen

unterscheiden sich von den klassischen Verfahren zur Texturbeschreibung darin, dass es sich um Gemischgassorption handelt und entsprechend separiert werden muss, welche Komponente wie viel adsorbiert ist.

Bei der Gemischgasadsorption spielen vor allem Sorptionselektivitäten eine Rolle, denn die Aufgabenstellungen erfordern die stärkere Adsorption einer Komponente eines Gemisches gegenüber einer oder mehreren anderen Komponenten. Umso mehr man praxisrelevante, technische Prozesse vorhersagen oder modellieren möchte, desto dringlicher werden solche Untersuchungen wie

  • dynamische Gasflow-Adsorption und -Desorption
  • Bestimmung und Bewertung von Durchbruchskurven
  • Untersuchungen zur Sorptionskinetik
  • Untersuchung von Co-Adsorptions- und Verdrängungseffekten
  • Bestimmung von Sorptionsselektivitäten
  • Bestimmung von Sorptiongleichgewichten von Gasgemischen
  • Maßstabsübertragung von technischen Sorptionsprozessen
  • Untersuchung der Wärmebilanzen dynamischer Adsorptionsprozesse

Messgeräte

 

mixSorb S:

Aufnahme von Durchbruchskurven; Verdampferoption; konzipiert für sehr kleine Probenmengen


 

mixSorb L:

Aufnahme von Durchbruchskurven; Verdampferoption; sicheres und einfach zu bedienendes Tischgerät


 

mixSorb SHP:

Aufnahme von Durchbruchskurven; Verdampferoption; konzipiert für sehr kleine Probenmengen und hohe Drücke (bis zu 68 bar)

Messmethode

Um technische Adsorptionsprozesse wirklichkeitsgetreu abbilden zu können, braucht es eine repräsentative Probennahme und eine authentische Nachbildung des Strömungsfeldes innerhalb der Schüttung (siehe Abbildung).

Der Standardadsorber des mixSorb L ist mit einem Volumen von etwa 100 ml und einem Innendurchmesser von 3 cm für diese Anforderungen optimal dimensioniert. Die robuste Edelstahlkonstruktion ermöglicht Untersuchungen bei Temperaturen bis 450 °C und Drücken bis 10 bar. Vier Pt-100 Temperatursensoren sind äquidistant entlang der Adsorberachse angebracht und ermöglichen die hochgenaue Aufzeichnung von Temperaturprofilen innerhalb der Schüttung. Durch bis zu vier integrierte Massenflussregler lassen sich nahezu beliebige Gasgeschwindigkeiten und Gaszusammensetzungen definieren. Die Detektion der Gaszusammensetzung erfolgt über einen integrierten Wärmeleitfähigkeitsdetektor oder ein zusätzliches Massenspektrometer. Eine Umkehr der Strömungsrichtung erlaubt umfassende Untersuchungen auch hinsichtlich des Desorptionsverhaltens technischer Adsorbentien. So können Fragen zur Regenerierbarkeit und Zyklenbeständigkeit des Adsorbens genauso beantwortet werden wie sich auch komplizierteste Druckwechseladsorptionsprozesse (PSA) experimentell nachbilden und simulieren lassen.

Beispiel

Die folgende Abbildung verdeutlicht Möglichkeiten des mixSorb L für die praxisrelevante Charakterisierung eines Kohlenstoffmolekularsiebs zur Luftzerlegung. Es wurde der Einfluss der Temperatur auf die Zyklenzeit des Adsorbers und der Gasgeschwindigkeit auf den Durchbruch des Sauerstoffs untersucht. Bei solchen Messungen kommt die mixSorb-Gerätesoftware mixSorb Manager zum Einsatz, die eine vollautomatische Dosierung, Messung und Datenerfassung ermöglicht.

Zum mixSorb L gehört jedoch auch die Simulationsoftware 3P-Sim als hervorragendes Werkzeug, um Experiment und Theorie zu vergleichen und den experimentellen Aufwand für bestimmte Aufgabenstellungen durch die Vorausberechnung von Gemischgasdaten aus Reinstoffisothermen vorauszuberechnen. Die Abbildungen unten verdeutlichen einerseits schematisch, wie die Diffusionsparameter zum Linear Driving Force (LDF-) Faktor zusammengefasst werden und darunter, wie durch Anpassung des Massertransferkoeffizienten kLDF die experimentellen Kurven (sowohl die Durchbruchs- als auch die Temperaturkurven!) durch die Simulationssoftware hervorragend beschrieben werden können.

Literatur und Normen

dynamicsorption.com – detaillierte Darstellung von Merkmalen, Vorteilen, wissenschaftlichem Hintergrund und Beispielen dynamischer Sorptionsmethoden (flow-Methoden)

  • Webinar mixed gas/vapor adsorption: Working with Vapors and Low Concentrations in Breakthrough Experiments (Videoaufzeichnung)
  • PARTICLE WORLD 19; p. 20 – 25, „From the idea to the technology behind the separation process:
    mixSorb L is gearing up!“
  • Dynamic and equilibrium-based investigations of CO2-removalfrom CH4-rich gas mixtures on microporous adsorbents; A. Möller, R. Eschrich, C. Reichenbach, J. Guderian, M. Lange, J. Möllmer: Adsorption (2017) 23: 197-209; externer Link zur pdf-Ansicht
  • Partikelwelt 17; S. 22-27, „Dynamische Gastrennprozesse untersuchen, verstehen, verbessern: Durchbruchskurven-experimente mit dem dynaSorb BT“
  • Partikelwelt 18, S. 24-30, „Von der Idee zum technischen Trennprozess: Das dynaSorb BT macht jetzt ordentlich Dampf!“
  • Tagungsposter 2017 – Deutsche Zeolithtagung, „Porous solids for heat storage applications: In-depth material testing by vapor breakthrough measurements“, pdf-Download
  • Tagungsposter 2016 – Fundamentals of Adsorption – „Dynamic and equilibrium-based investigations of CO2 removal from CH4-rich gas mixtures on zeolites“, pdf-Download
  • Tagungsposter 2016 – Reaktionstechniktagung – „Dynamische Untersuchungen zur Adsorption an Aktivkohlen“, pdf-Download
  • Tagungsposter 2016 – Fachgruppe Adsorption und Gasreinigung – „dynaSim – A Modeling and Evaluation Tool for Dynamic Sorption Data“ pdf-Download
  • Tagungsposter 2015 – Carbon – „Breakthrough Curves of CO2 and CH4 on Carbon Molecular Sieves“, pdf-Download
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