DE3307087A1 - Process for the elimination of nitrogen oxides from gas mixtures containing them by means of pressure swing adsorption - Google Patents
Process for the elimination of nitrogen oxides from gas mixtures containing them by means of pressure swing adsorptionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung vonThe invention relates to a method for removing
Stickoxiden aus diese enthaltenden Gasgemischen mittels Druckwechseiadsorption.Nitrogen oxides from gas mixtures containing them by means of pressure swing adsorption.
Durch die Entwicklung hochwertiger Adsorptionsmittel, wie Aktivkohle, kohlenstoffhaltige Molekularsiebe oer zeolitische Molekularsiebe ist es möglich geworden, ein szene oder mehrere Gase aus Gasgemischen abzutrennen, indem das Gasgemisch in einer Art Pfropfenströmung durch einen länglichen, mit dem Adsorptionsmittel gefüllten Adsorber geleitet wird. Aufgrund der unterschiedlichen Neigung verschiedener Gase zur physikalischen oder chemischen Adsorption an dem Adsorptionsmittel werden gut adsorbierbare Gase vornehmlich im Eingangsbereich des Adsorbers und schwerer adsorbierbare Gase vornehmlich in den nachfolgenden Adsorberbereichen am Adsorptionsmittel adsorbiert, während die am schlechtesten adsorbierbare(n) Komponente(n) den Adsorber an seinem Ausgang verläßt (verlassen). Dieser Adsorptionsschritt wird spatestens dann beendet, wenn die Adsorptionskapazität des Adsorptionsmittels für das oder die zurückhaltende(n) Gase(n) erschöpft ist. Dann wird die Zufuhr des ausgangsgasgemischen gestoppt und der Gasdruck im Adsorber eLngangs- oder ausgangsseitig durch Entspannen und/oder Evakuieren abgesenkt. Hierbei desorbieren zumindest e.n Teil der Gaskomponenten. Sofern die noch adsorbiertæn Gaskomponenten sich auf den nachfolgenden erneuten Adsorptionsschrttt stUrend auswirken, kann die Restbeladung des Adsorptionsmittels durch weitere Druckerniedrigung und/oder dadurch entfernt werden, daB ein geeignetes SpUlgas den Asorber auf Desorptionsdruck durchspült und hierbei die zu desorbierenden Gaskomponenten vom Adsorptionemittel verdrängt. Nach dem Abschluß der Desorptionsphase wlra der Druck im Adsorber wieder auf den Adsorptionsdruck angehoben, welcher auf dem Niveau des atmosphärischen Luftdruckes oder höher liegt.By developing high quality adsorbents such as activated carbon, It is possible to use carbon-containing molecular sieves or zeolitic molecular sieves become to separate a scene or several gases from gas mixtures by the gas mixture in a kind of plug flow through an elongated one with the adsorbent filled adsorber is passed. Due to the different inclination of different Gases for physical or chemical adsorption on the adsorbent well adsorbable gases mainly in the entrance area of the adsorber and heavier Adsorbable gases mainly in the subsequent adsorber areas on the adsorbent adsorbed, while the worst adsorbable component (s) the adsorber leaves at its exit. This adsorption step will be at the latest then ended when the adsorption capacity of the adsorbent for the or the retaining gas (s) is exhausted. Then the supply of the starting gas mixture stopped and the gas pressure in the adsorber on the inlet or outlet side by decompression and / or evacuate lowered. Here, at least one part of the gas components desorb. If the gas components are still adsorbed on the subsequent renewed The residual load of the adsorbent can have a disruptive effect on the adsorption step can be removed by further reducing the pressure and / or by using a suitable Flushing gas flushes the asorber through to desorption pressure and thereby the Gas components from the adsorbent repressed. After graduation During the desorption phase, the pressure in the adsorber returns to the adsorption pressure raised, which is at the level of the atmospheric pressure or higher.
Ein solches Druckwechseladsorptionsverfahren ist auch bereits vorgeschlagen worden - als Arbeitsprinzip (ohne direkte Realisierung) - um das Abgas einer Anlage zur Salpetersäureherstellung von Stickoxiden zu befreien (Ullmanns Enzyklopadie der Technischen Chemie, 4.Aufiage, Sand 20, Seite 305 bis 332, 331). Auch sind mehrere adsorptive Verfahren mit ausschließlich thermischer Regeneration bisher bekannt (z.B. Chem.Eng.Progr. Vol. 72 (1976) No. 8, S. 98 ff). Die Stickoxidentfernung mittels Bruckwechseladsorption ist aber, vor allem In Gegenwart von Wasserdampf im Ausgangsgasgemisch, insofern problematisch, als die im Adsorptionsschritt adsorbierten Stickoxide sich durch die oben erwähnten Maßnahmen im Desorptionsschritt nicht vollstandig vom Adsorptionsmittel entfernen lassen, so daß das Adsorptionsmittel eine allmähliche Kontamination erfährt und nach einer relativ geringen Anzahl an Druckwechselzyklen ausgetauscht oder einem besonderen Regene rat ionsschri t t unterzogen werden muß. Da hochwertige Adsorptionsmittel relativ teuer sind, besteht ein Interesse, mit entsprechendem Zeit-, Energie- und Investitionsaufwand das adsorptionsmittel, z.Such a pressure swing adsorption process has also already been proposed been - as a working principle (without direct implementation) - to the exhaust gas of a plant for the production of nitric acid from nitrogen oxides (Ullmanns Enzyklopadie of technical chemistry, 4th edition, sand 20, pages 305 to 332, 331). There are also several adsorptive processes with exclusively thermal regeneration known so far (e.g. Chem.Eng.Progr. Vol. 72 (1976) No. 8, p. 98 ff). The nitrogen oxide removal by means of However, especially in the presence of water vapor in the starting gas mixture, bridge swing adsorption is problematic insofar as the nitrogen oxides adsorbed in the adsorption step not completely removed from the adsorbent by the above-mentioned measures in the desorption step remove so that the adsorbent experiences gradual contamination and exchanged after a relatively small number of pressure change cycles or one must be subjected to a special regeneration step. Because high quality adsorbent are relatively expensive, there is an interest, with corresponding time, energy and Capital expenditure the adsorbent, z.
@. durch Aufheizen und Spülen be:. hohen Temperaturen oder eine Heaktivierung, wieder zu regenerieren. Jedoch können auch solche Regenerationsschritte eine allmahliche Verschlechterung der Adsorptionskapazitat des Adsorptionsmittels nicht verhindern una führen zudem zu eine« langsamen Verbrauch des Adsorptionsmittels, dessen Standzeitverhalten m@thin immer noch deutlich zu wünschen übrig laJit.@. by heating and rinsing be :. high temperatures or a reactivation, to regenerate again. However, such regeneration steps can also be gradual Do not prevent deterioration in the adsorption capacity of the adsorbent una also lead to a «slow consumption of the adsorbent, its service life behavior m @ thin still clearly to be desired laJit.
Wegen der unzulänglichen Desorption von adsorbierten Stickoxiden in einem normalen Druckwechseladsorptionsverwaren ist auch schon vorgeschlagen worden, auf die £ntspannungsdesorption zu verzichten und statt dessen eine Spülgasdesorption auf elnem relativ hohen Temperaturniveau vorzunehmen (s. Ullmann a.a.O. Seite 331 sowie die niederländische Patentanmeldung 66 07 036). Diese Verfahrensweisen sind aber, wie bereits erwähnt, sehr energleaufwendig.Because of the insufficient desorption of adsorbed nitrogen oxides in a normal pressure swing adsorption process has also been suggested to dispense with the tension desorption and instead use a purge gas desorption to be carried out at a relatively high temperature level (see Ullmann loc. cit., page 331 and Dutch patent application 66 07 036). These procedures are but, as already mentioned, very energy-intensive.
Schließlich ist es bekannt, fUr spezielle Anwendungen, z.B. auf dem Gebiet der Abwasserreinigung von phenolhaltigen Gemischen, bzw. fir die Adsorption von S02- 2 und HCl-haltlgen Abgasen, die Adsorptionskapazitst von kohlenstoffhalttgen Adsorptionsmitteln durch Dotieren des adsorptionsmittels mit Schwrfel- und/oder Kaliumverbindungen zu verbessern. Schwefelhaltige Dotierungen lassen sich durch Überleiten von Gasgemischen, die Komponenten wie CS2, S02, H2S oder andere enthalten, über Aktivkohlen bei Temperaturen zwischen 400 und 700 0C herstellen Die Dotierungsmenge laßt slch Uber die Dauer der behandlung und ueber die Konzentration der schwefelhaltigen Gase in weiten Grenzen steuern. Die Maximalgehalte a Schwefel können bis zu 30 Gew.-% erreIchen.Finally, it is known for special applications, e.g. on the Field of wastewater treatment of mixtures containing phenol or for adsorption of SO2-2 and HCl-containing exhaust gases, the adsorption capacity of carbon-containing Adsorbents by doping the adsorbent with sulfur and / or To improve potassium compounds. Sulfur-containing dopings can be passed through Transfer of gas mixtures that contain components such as CS2, S02, H2S or others, Produce via activated carbon at temperatures between 400 and 700 ° C. The amount of doping let us know about the duration of the treatment and about the concentration of the sulphurous Control gases within wide limits. The maximum contents of a sulfur can be up to 30% by weight reach.
Dotierungen mit Elementen der ersten Hauptgruppe und anderen Metallen wie Kupfer, Mangan, Kobalt lassen sich durch Tränken von Akttvkohlen mit wässrigen Salzlbsunglen, vorzugswe: se Sultat- oder Nitratlösungen, herstellen.Doping with elements of the first main group and other metals such as copper, manganese, cobalt can be made by soaking Akttvkohlen with aqueous Prepare salt puffs, preferably sultate or nitrate solutions.
Nach der Tränkung, die bei Temperaturen zwischen Umgebungstemperatur und 900 C durchgefuhrt werden kann, wird die Aktivkohle getrocknet und anschließend auf Temperaturen, die über der Zersetzungstemperatur der jeweiligen Salze liegen milssen, gebracht. Dabei wird sie mit einem Inertgasstrom, vorzugsweise Stickstoff durchströmt. Die Konzentration der Dotierungen lassen sich zwischen wenigen mg/kg Aktivkohle bis auf Ca.. 100. g/kg Aktivkohle einstellen. Das Gleiche gilt für Mischungen aus unterschiedlochen E elementen. Derartig behandelte Adsorptionsmittel sind aber bisher nur zur kombinierten 8tickoxid- und Schwefeloxidabscheidung aus Feuerungsrauchgasen untersucht worden. Hierbei wird einem Wanderschichtreaktor ständig frisches bzw. regeneriertes Adsorptionsmittel oben zugeführt und unten abgezogen, während das zu reinigende Gasgemisch den Reaktor kontinuierlich quer zur Wandrichtung durchætrdst. Dabei lßt sich Nox nur in sehr geringem Maße adsorptiv binden. In einer Demonstrationsanlage wurden NOx-Entfernungsgrade unter 10 % zwischen Eintritt und Austritt des Wanderbettadsorbers gemessen.After the impregnation, at temperatures between ambient temperature and 900 C can be carried out, the activated carbon is dried and then to temperatures which are above the decomposition temperature of the respective salts milssen, brought. It is with a stream of inert gas, preferably nitrogen flows through. The concentration of the doping can be between a few mg / kg Adjust activated charcoal up to approx. 100. g / kg activated charcoal. The same goes for mixtures made of different perforated elements. Such treated adsorbents are so far only for the combined nitrogen oxide and sulfur oxide separation from furnace flue gases been investigated. A moving layer reactor is constantly supplied with fresh or regenerated adsorbent fed in at the top and withdrawn at the bottom, while the gas mixture to be cleaned continuously through the reactor transversely to the direction of the wall. Nox can only be bound adsorptively to a very small extent. In a demonstration facility degrees of NOx removal were below 10% between entry and exit of the moving bed adsorber measured.
Erst durch Zugabe von Ammoniak läßt sich unter sonst gleichen Bedingungen WO katalytisch an Aktivkohle reduzieren. Diese Möglichkeit der katalytischen Reduktion wird für einige Salpetersäureanlagen mit Edelmetallkatalysatoren realisierth Sie setzt aber voraus das im Abgas Temperaturen Uber 2100 C vorliegen. Dles ist bei Salpetersäureanlagen mit einer Mitteldruckabsorption aber nicht gegeben; hier liegen vor der Entspannungsturbine maximal temperaturen um 1800 C vor.Only by adding ammonia can the conditions be the same Reduce WO catalytically on activated carbon. This possibility of catalytic reduction is implemented for some nitric acid plants with noble metal catalysts but presupposes that the exhaust gas has temperatures above 2100 C. Dles is at Nitric acid plants with a medium pressure absorption but not given; lay here in front of the expansion turbine, maximum temperatures of 1800 C.
Aktivkoks aus einer Anlage zur Rauchgasentschwefelung, der auf oben beschriebene Weise weitgehend vol1stndig beladen worden ist, wird therlaisch regeneriert bei Temperaturen über 3500 C.Activated coke from a plant for flue gas desulphurisation, which is on top is largely fully charged in the manner described, is regenerated thermally at temperatures above 3500 C.
Dieses Verfahren hat den Nachteil großen Adsorptionsmittelabriebes aufgrund der Kreislaufführung des Adsorptionsmittels. Bei solchen Prozessen' wird daher eine möglichst hohe Adsorptionskapazität des Adsorptionsmttels angestrebt, um die Kreislaufgeschwindigkeit zu verringern.This process has the disadvantage of large abrasion of the adsorbent due to the circulation of the adsorbent. In such processes' will therefore the aim is to achieve the highest possible adsorption capacity of the adsorption material, to decrease the circulatory speed.
Dabei muß in Kauf genommen werden, daß die verbesserten Adsorptionseigensehaften gleichzeitig auch eine Verschlechterung der Desorptionseigenschaften aufgrund der höheren Affinität zwischen dem Adsorptionsmittel und dem Adsorbat zur Folge haben.It must be accepted that the improved adsorption properties at the same time a deterioration in the desorption properties due to the result in higher affinity between the adsorbent and the adsorbate.
Demgegenüber ist bei Druckwechseladsorptionsprozessen auf eine besonders leichte Desorbierbarkeit der adsorbierten Komponenten zu achten, da sonst der Desorptionsschritt im Vergleich zum Adsorptionsschritt unverhältnismäßig mehr Zeit beansprucht, so daß von einer Vielzahl von Adsorbern immer nur einer auf Adsorption und alle Ubrigen auf Desorption geschaltet sein müßten, was eine unerwUnscnte Erhöhung des Investitionsaufwandes zur Folge hätte. Aus diesem Grunde sind Adsorptionsmittel, deren Eigenschaften den besonderen Anforderungen in Wanderschichtreaktoren mit thermischer Regeneration angepaßt sind, für einen Druckwechseladsorptionsprozeß besonders ungünstig - und umgekehrt - . Wegen der vergleichsweise geringen Anlagengrße von Druckwechseladsorptionsenlagen und dem geringen Abrieb der Adsorptionsmittel in solchen Anlagen gelten diese Verfahren aber als besonders elegant (s. Ullmann a.a.O.).On the other hand, there is one special feature in pressure swing adsorption processes easy desorbability of the adsorbed components must be ensured, otherwise the desorption step takes disproportionately more time compared to the adsorption step, so that of a multitude of adsorbers only one on adsorption and all the rest would have to be switched to desorption, which is an unexpected increase in investment costs would result. For this reason, adsorbents whose properties are the special requirements in moving layer reactors with thermal regeneration are adapted, particularly unfavorable for a pressure swing adsorption process - and vice versa - . Because of the comparatively small system size of pressure swing adsorption layers and the low abrasion of the adsorbent in such systems, these procedures apply but as particularly elegant (see Ullmann, loc. cit.).
Der erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, das das Standzeitverhalten des Adsorptionsmittels verbessert.The invention is therefore based on the object of a method of to provide the type mentioned at the beginning, the service life behavior of the adsorbent improved.
Dies wird erfindungsgemäß durch die Verwendung eines mit Schwefel, Cobalt, Mangan und/oder Elementen der 1. Gruppe. insbesondere Kalium dotierten kohlenstoffhaltigen Adsorptionsmittels erreicht. Diese Vorgehensweise hat gegenüber den bekannten Verfahren den Vorte il, daß das Adsorptlonsniittel vor einer gründlichen Regeneration oder vor seinem Auswechseln länger im Einsatz blei Den kann, und/oder die Größe der Druckwechseladsorptionsanlage im Vergleich zu herkbmmlichen Anlagen verkleinert werden kann. Darüber hinaus ergeben sich eine Reihe von Vereinfachungen in der Verfahrensführung, die weiter unten beschrieben werden.This is according to the invention by the use of a sulfur, Cobalt, manganese and / or elements of the 1st group. especially potassium-doped carbonaceous Adsorbent reached. This procedure has compared to the known method the advantage that the Adsorptlonsniittel before a thorough regeneration or longer in use before being replaced, and / or the size of the pressure swing adsorption system can be reduced in size compared to conventional systems. In addition, surrender a number of simplifications in the procedure, which are described below will.
Die Möglichkeit, die an sich bekannten Adsorptionsmittel erfindungsgemäß zu verwenden, war aus den weiter oben erwahnten Gründen außerordentlich Uberraschenc - sie wird darauf zurückgeführt, daß die Dotierung des kohlenstoffhaltigen Adsorptionsmittels mit Schwefel, Cobalt, Mangan und/oder einem Element der 1, Gruppe (Haupt- oder Nebenkruppe des Periodensystems), insbesondere Kalium bei der Adsorption von Stickoxiden nicht nur - wie bekannt - zu einer verbesserten Adsorptionskapazität sondern - entgegen der allgemeinen Erfahrung - auch zu elrer verbesserten Desorbierbarkeit der Stickoxide bei der Entaparnungsdesorption führt. Eine gesicherte Erklarung für dieses überraschende Verhalten von erfindungsgemaß dotierten kohlens toff hal t igan Adsorptionsmitteln wurde bisher noch nicht gefunden.The possibility of using the adsorbents known per se according to the invention was extraordinarily surprising for the reasons given above - It is attributed to the fact that the doping of the carbon-containing adsorbent with sulfur, cobalt, manganese and / or an element of the 1st group (main or minor croup of the periodic table), especially potassium in the adsorption of nitrogen oxides not only - as is known - to an improved adsorption capacity but - contrary the general experience - also to the improved desorbability of nitrogen oxides leads to de-aparentation desorption. A sure explanation for this surprising Behavior of carbon adsorbents doped according to the invention has not yet been found.
Besonders wirkungsvoll läßt sich das erfindungsgerfla.ße Verfahren bei Gasgemischen anwenden, die auch Wasserdampf enthalten, insbesondere bei den Abgasen aus Anlagen zur Salpetersäureherstellung* aus denen die eventuell aber noch vorhandenen Salpetersäurenebel vorsorglich durch vor geschaltete Nebelabscheider entfernt werden sollten, um das Adsorptionsmittel nicht allzu stark mit adsorbierter Salpetersäure zu kontaminieren.The method according to the invention can be particularly effective use with gas mixtures that also contain water vapor, especially with the Exhaust gases from plants for nitric acid production * from which they may still be Existing nitric acid mist as a precaution by means of upstream mist separators should be removed so that the adsorbent is not overly adsorbed with Contaminate nitric acid.
Allgemein gilt für das erfindungsgemäße Verfahren, daß bei höherem Druck adsorbiert und bei niedrigerem desorbiert wird. Vom Prinzip her können die Druckunterschiede sehr klein sein, dann sind aber der Anreicherung des abzuscheidenden Gases im Desorptionsschritt Grenzen gesetzt.In general, it applies to the process according to the invention that with higher Pressure is adsorbed and desorbed at lower pressure. In principle, they can Differences in pressure may be very small, but then there is the enrichment of the deposited Limits are set for the gas in the desorption step.
Insbesondere bei der Abgasreinigung wird man den Adsorptionsdruck auf dem Nievau des Abgasdrucks wählen und den Desorptionsdruck entsprechend einstellen. Für Salpetersäureanlagen bedeutet dies, daß der Adsorptionsdruck dem Druck in den Absorptionstürmen entspricht. Für Absorptionsdrüce über 2 bar kann als Desorptionsdruck 1 bar gewählt werden; das ist der Druck, mit dem Sekundärluft in den Prozeß geführt wird. Liegt der Absorptionsdruck nur bei 1 bar, dann muß im Unterdruck, vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,5 bar, desorbiert werden keine Vakuurnpumpe wird zusätzlich benötigt).The adsorption pressure is used in particular for exhaust gas purification on the level of the exhaust gas pressure and adjust the desorption pressure accordingly. For nitric acid plants this means that the adsorption pressure corresponds to the pressure in the Corresponds to absorption towers. Desorption pressure can be used for absorption pressures above 2 bar 1 bar can be selected; this is the pressure with which secondary air is fed into the process will. If the absorption pressure is only 1 bar, then it must be in negative pressure, preferably between 0.05 and 0.5 bar, no additional vacuum pump is desorbed needed).
Beim Spülen des Adsorptionsmittels auf Desorptionsdruck mit einem Spülgas kann auch ein Vorwärmen desselben zur Verbesserung des SpUleffektes in Betracht kommen, z.D.When flushing the adsorbent to desorption pressure with a Purge gas can also be preheated to improve the purge effect come, e.g.
mit auf 25 bis 1200 C vorerwärinter Luft, insbesondere beim Stickoxidentfernen aus den Abgasen von salpetersäureanlagen. Hierbei liegt ein besonderer Vorzug in einer GegenstromspUlung ( in Bezug auf die Adsorptionsriehtung), weil so das Adsorptionsmittel vom Adsorberausgang her sukzessiv erwärmt wird und sich beim darauffolgenden Adsorptionsschritt auch wieder sukzessiv abkühlt. Dabei wird das Spülen dann beendet, wenn diese Wärmefront as Adsorbereingang angekommen ist. Diese Vorgehensweise ist besonders bei der Abgasbehandlung von Salpetersäureanlagen von Vorteil, da dieses Abgas NO2, O2 und H2O-Dempf enthält, der eine Salpetersäurebildung auf dem Adzorptionsmittel und eine dementsprechende Kontamination desselben zur Folge hat. Durch das erfindungsgemäße Verfai'-ren wird nämlich eine ausreichende Desorption im Druck wechselzyklus erreicht, obwohl die Desorptionstemperatur von z.B. 800 C deutlich unterhalb der Salpetersäurezersetzungstemperatur, nämlich unterhalb von mindestens 120° C liegt.with air preheated to 25 to 1200 C, in particular at the Removal of nitrogen oxides from the exhaust gases of nitric acid plants. Here is a special one Preference in countercurrent flushing (with regard to the adsorption direction) because so the adsorbent is gradually heated from the adsorber outlet and is in the subsequent adsorption step also gradually cools down again. It will purging ends when this heat front has reached the adsorber inlet. This approach is particularly useful for the treatment of exhaust gases from nitric acid plants advantageous, as this exhaust gas contains NO2, O2 and H2O vapor, which leads to the formation of nitric acid on the adsorbent and a corresponding contamination of the same for Consequence. The inventive method namely a sufficient Desorption reached in the pressure change cycle, although the desorption temperature of e.g. 800 C well below the nitric acid decomposition temperature, namely below of at least 120 ° C.
Besonders elegant ist eine Kombination des erfindungsgemaßen Druckweehseladsorptionsverfahrens mit einer thermischen Regeneration nach dem Ablauf mehrerer Druckwechseladsorptionszyklen, weil hierzu Uberraschenderweise ebenfalls kein großer Energie- oder anlagenmäßiger Aufwand getrieben werden muß, da die Regenerationstemperatur auch in diesem Fall unterhalb der Zersetzungsterreratur der Salpetersäure liegt, so daß aufwendige Armaturen, die den bisher Ublichen hohen Regenerationstemperatren standhalten, entfallen und durch einfachere ersetzt werden können.A combination of the pressure adsorption process according to the invention is particularly elegant with a thermal regeneration after the expiry of several pressure swing adsorption cycles, because, surprisingly, there is also no major energy or plant related Effort must be made, since the regeneration temperature is also in this case is below the decomposition temperature of nitric acid, so that expensive fittings, that can withstand the high regeneration temperatures that have been customary up to now, are omitted and can be replaced by simpler ones.
Bisher wurde angenommen, daß die Regenerationstemperaturen deutlich oberhalb der Salpetersäurezersetzungstetflperatur liegen müssen, wie dies aus Ullmann a.a.0. und der niederländischen Patentanmeldung 66 07 036 hervorgeht. - Es hat sich demgegenüber sogar gezeigt, daß die erfindungsgemäße Kombination des Druckwechseladsorptionsverfahrens mit einer thermischen Regeneration, bei Jedem oder nach einer Mehrzahl von Druckwechseladsorptionszyklen, auch dann bereits eine recht zufriedenstellende Kontaminationsverringerung, d.h. Standzeitverbesserung, des Adsorptionsmittels zur Folge hat, wenn dieses nicht erfindungsgen0äß dotiert ist, was insbesondere fUr Regenerationstemperaturen unterhalb der Salpete rsäurezerbe tzungstemperatur Uberraschend ist. Ausgehend von dieser Vorgehensweise wird natürlich eine weitere bedeutende Verbesserung durch das erfindungsgemäße Dotieren erzielt.So far it has been assumed that the regeneration temperatures are significant must be above the temperature of the nitric acid decomposition, as stated in Ullmann a.a.0. and Dutch patent application 66 07 036. - It has in contrast, even shown that the inventive combination of the pressure swing adsorption process with a thermal regeneration, at each or after a plurality of pressure swing adsorption cycles, even then a quite satisfactory reduction in contamination, i.e. Improvement of the service life of the adsorbent if this is not according to the invention is doped, which is especially true for regeneration temperatures below the saltpetre acid decomposition temperature is surprising. Based on this approach becomes, of course, a further significant improvement by doping according to the invention achieved.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des nftheren erlautert.The invention is illustrated below with reference to one in the drawing Embodiment explained below.
Zum Herstellen von Salpetersäure in Absorptionstürmen 1 und 2 werden die nitrosen Gase nach einer katalytischan Ammoniakoxidation in einem Kompressor 5 mit Sekundärluft 3 von etwa atmosphärischem Druck auf z.B. 3 bis 9 bar komprimiert und nach Abkühlen in zwei Wärmeaustauschern 6,7 in die Absorptionstürme 1, 2 geleitet, aus denen silber eine Leitung 8 die Salpetersäure abgezogen, denen über eine Leitung 9 Wasser aufgegeben und aus denen Uber eine Leitung 10 ein Abgas bei etwa 2,5 bis 9 bar und 20 bis 300 C und mit einem NOx-Gehalt von 200 bis 2000 ppm abgezogen wird, Das Abgas durchströmt nach dem Stande der Technik: danach unmittelbar die Sekundärseite dea Wärmeaustauschers 6 und verläßt diesen bei einer Temperatur von 150 bis 300° C. Nachfolgend entspannt das Abgas in einer mit dem Kompressor 5 im Antriebssinne gekoppelten Entspannungsturbine 11 und wird an die AtmosphEre Uber eine Leitung 12 abgegeben. - Nach der Erfindung passiert das Abgas aus der Leitung ld: zunächst einen Nebelabscheider 13 und dann einen der drei ådsorptionsmittelge£u11ten Adsorber 14 bis 16, um nachfolgend die Sekundärseite des Warmeaustauschers 6 zu passieren. Die Angaben für das sich aus etwa 50 : 50 Teilen aus NO und NO2 zusammensetzende Abgas beziehen sich auf sogenannte fitteldruckadsorptionsanlagen zur Salpetersäureherstellung; die Abgase sind grundsätzlich wasserdampfgesättigt.For the production of nitric acid in absorption towers 1 and 2 are the nitrous gases after a catalytic ammonia oxidation in a compressor 5 compressed with secondary air 3 from about atmospheric pressure to e.g. 3 to 9 bar and after cooling in two heat exchangers 6,7 into the absorption towers 1, 2, from which silver a line 8, the nitric acid is deducted, which via a line 9 abandoned water and from which via a line 10 an exhaust gas at about 2.5 to 9 bar and 20 to 300 C and with a NOx content of 200 to 2000 ppm is withdrawn, The exhaust gas flows through according to the state of the Technique: immediately afterwards the secondary side dea heat exchanger 6 and leaves it at a temperature from 150 to 300 ° C. The exhaust gas then relaxes in one with the compressor 5 in the drive direction coupled expansion turbine 11 and is to the AtmosphEre Delivered via a line 12. - According to the invention, the exhaust gas happens from the Line 1d: first a mist separator 13 and then one of the three adsorbent units Adsorber 14 to 16 to subsequently the secondary side of the heat exchanger 6 happen. The information for that which is composed of about 50:50 parts of NO and NO2 Exhaust gas refers to so-called low pressure adsorption systems for the production of nitric acid; the exhaust gases are basically saturated with water vapor.
Von den- Adsorbern 14 bis 16 befinden sich stets zwei Adsorber in einem Druckwechseladsorptionszyklus, während der dritte Adsorber thermisch regeneriert wird bzw. in Reserve steht. Dabei lauft der Adsorptionsschritt (im Adsorber 14 und entsprechend in den anderen Adsorbern) derart ab, daß das Abgas nach Passieren des Nebelabscfleiders 13 bei den obengenannten Bedingungen das geöffnete Einlaßventil 17, dann den Adsorber 14 und schließlich das geöffnete Auslaßventil 18 passiert, bevor es ueber eine Saiwnelleitung 19 der Sekundarsete des Wärmeaustauschers 6 zugeführt wird. Alle übrigen sich auf den Adsorber 14 beziehenden Ventile sind geschlossen. Bevor ein Durchbruch an Stickoxiden am Ausgang des Adsorbers 14 zu beobachten ist, wird dieser auf Desorption umgeschaltet.Of the adsorbers 14 to 16 there are always two adsorbers in a pressure swing adsorption cycle, while the third adsorber is thermally regenerated is or is in reserve. The adsorption step (in adsorber 14 and accordingly in the other adsorbers) so that the exhaust gas after passing the Nebelabscfleiders 13 under the above-mentioned conditions, the inlet valve is open 17, then the adsorber 14 and finally the opened outlet valve 18, before it is fed to the secondary set of the heat exchanger 6 via a Sawn line 19 will. All other valves relating to the adsorber 14 are closed. Before a breakthrough of nitrogen oxides can be observed at the outlet of the adsorber 14, this is switched to desorption.
Die Desorption setzt sich aus zwei Schritten zusammen, Der erste Schritt ist eine Entspannungsdesorption, bei der lediglich das Entspannungsventil 20 an der Adsorberauslaßseite gedffnet ist und bei der sich der Druck im Adsorber in die Sekundär-Luftleitung 3 auf etwa Atmosphärendruck senkt; die Desorptionsgase werden dem Prozeß wieder zugefuhrt. Nach dem Erreichen etwa des atmosphärischen Druckes beginnt als zweiter Desorptionsschritt eine Spülgasdesorption, bei der Uber eine Spülluftleitung 27 bei geöffneten Spüllufteinlaßventilen 21 und 22 sowie bei geöffnetem Entspannungsventil 20 Luft durch den Adsorber 14 geleitet wird und demzufolge auch die hierbei anfallenden Desorptionsgase dem Prozeß wieder zugeführt werden.The desorption consists of two steps together, The first step is an expansion desorption, in which only the expansion valve 20 is open at the Adsorberauslaßseite and at which the pressure in the adsorber in the secondary air line 3 lowers to about atmospheric pressure; the desorption gases are fed back into the process. After reaching about the atmospheric Pressure begins as a second desorption step, a purge gas desorption, in which Uber a scavenging air line 27 with the scavenging air inlet valves 21 and 22 open and at open expansion valve 20 air is passed through the adsorber 14 and consequently the desorption gases produced in this case are also fed back into the process.
Wegen der zwangsläufig niedrigen Desorptionstemperatur kennen nur wesentliche Teile der adsorbierten Stickoxide nicht aber Spuren der sich auf dem Adsorptionsmittel bilsenden Salptersäure auf diese Weise desorbiert werden.Because of the inevitably low desorption temperature only know Substantial parts of the adsorbed nitrogen oxides but not traces of the Adsorbents forming nitric acid are desorbed in this way.
Der Wiederaufbau des Adsorptlonsdruckes wird bei ansonsten geschlossenen Ventilen des Adsorbers 14 durch Öffnen des Einlaßventiles 17 und Einströmen von Abgas erreicht.The rebuilding of the adsorptive pressure is otherwise closed Valves the adsorber 14 by opening the inlet valve 17 and flowing in Exhaust gas reached.
Danach kann durch Öffnen des Auslaßventiles 18 ein neuer Adsorptionsschri tt beginnen.Then, by opening the outlet valve 18, a new Adsorptionsschri start tt.
Während der Adsorber 14 auf Adsorption geschaltet ist, durchläuft der Adsorber 15 die Schritte Entspannungsdesorption, Spülluftdesorption und Druckaufbau. Die Adsorber 14 und 15 durchlaufen diesen Druckweeflselrnythmus so lange bis sich in einem der beiden eine Restbeladung (Sontamination) aufgebaut hat, die eine thermische Regeneratoon erforderlich nacht. uis zu diesem Zeitpunkt war der Adsorber 16 auf die nachfolgend für Adsorber 14 beschri.etene thermische Regeneration geschaltet bzw. stand in Reserve. Während dieser thermischen Regeneration des Adsorbers 14 lauft der vorbeschriebene Druckwecnseirhythmus nunmehr mit den Adsorbern 15 und 16 weiter. Ein Teitgasstrom des auf etwa 1 bar und 800 C sich befindenden Abgases der Leitung 12 wird über eine Leitung 23 aus dieser abgezweigt und dem Adsorber 14 über das geöffnete Regenerationsventil 24 im Gegenstrom zur Adsorptionsrichtun, zugeführt und verläßt ihn gemeinsam mit den ire wesentlichen aus Stickoxiden und Wasserdampf bestehenden Regenerationsgasen über Spülluftauslaßventile 25/26, um über die Luftleitung 3 den Salpetersäureherstellungsprozeß wieder zugeführt zu werden. Da dieser Regenerationsschritt langere Zeit andauert, wird das Adsorptionsmittel zenit der Zeit auf die Temperatur des Regenerationsgases erwarmt, so daß die Desorption der Restbeladung praktisch vollständig ablaufen kann. Nach Beendigung der thermischein Regeneration kann aer Adsorber 14 noch für eine gewisse Zeit bei geöffneten Ventilen 21, 22 und 20 gekühlt werden, bevor er wieder in den Druckwechselzyklus übernommen wird und der Regenerationsschritt für den Adsorber 15 beginnt, während dessen Ablaufen der Druckwechseirhythinus nunmehr über die Adsorber 14 und 16 vollzogen wird. Durch das Rückführen der Desorptions- und Regenerationsgase in den Prozeß wird der Wirkungsgrad der Salpetersäureanlage erhöht. Durch Rückführen eines Teilstromes aus der Abgasleitung 12 wird e3n Teil der sonst nutzlos abgefuhrten Prozeßwärme genutzt.While the adsorber 14 is switched to adsorption, passes through the adsorber 15 includes the steps of relaxation desorption, purge air desorption and pressure build-up. The adsorbers 14 and 15 run through this Druckweeflselrnythmus until a residual charge (sontamination) has built up in one of the two, which is a thermal Regeneratoon required night. uis at this point was the Adsorber 16 to the thermal regeneration described below for adsorber 14 switched or was in reserve. During this thermal regeneration of the adsorber 14 the above-described Druckwecnseirhythm runs now with the adsorbers 15 and 16 next. A partial gas stream of the exhaust gas at around 1 bar and 800 ° C the line 12 is branched off from this via a line 23 and the adsorber 14 via the opened regeneration valve 24 in countercurrent to the Adsorptionsrichtun, supplied and leaves it together with the ire essentials of nitrogen oxides and Water vapor existing regeneration gases via purge air outlet valves 25/26 to to be fed back to the nitric acid production process via the air line 3. Since this regeneration step takes a long time, the adsorbent becomes zenit warmed up to the temperature of the regeneration gas, so that the desorption the residual charge can run off practically completely. After finishing the thermal in The adsorber 14 can still regenerate for a certain time with the valves open 21, 22 and 20 are cooled before being taken back into the pressure swing cycle and the regeneration step for the adsorber 15 begins while it is running the pressure change rhythm is now carried out via the adsorbers 14 and 16. By the return of the desorption and regeneration gases to the process increases the efficiency the nitric acid plant increased. By returning a partial flow from the exhaust pipe 12 e3n part of the otherwise uselessly dissipated process heat is used.
Die Verwendung der erfindungsgernäßen Adsorptoonsri,itte1 ermöglicht eine Erhöhung der Zahl der Druckwechselzyklen, bevor eine thermische Regeneration erfolgen muß. was sicyi günstig auf den Adsorptionsmittelverbrauch oder aber die Größe der Druckwechseladsorptionsanlage auswirkt.The use of the Adsorptoonsri, itte1 according to the invention enables an increase in the number of pressure swing cycles before thermal regeneration must be done. what sicyi favorable to the adsorbent consumption or else the Size of the pressure swing adsorption system.
Versuchsbeispiele: An einer Verzuchsanlage der in der Figur dargestellten Art wurden in der zuvor beschriebenen Welse unter unterschiedlichen Bedingungen und mit unterschiedlichen Ad sorptionsmitteln Versuche unter den in der nachfolgenden Tabelle wiedergegebenen Versuchsbedingungen durchgeführt.Experimental examples: On an adulteration plant of the one shown in the figure Kind were in the previously described catfish under different conditions and with different adsorbent experiments among those in the following Test conditions shown in the table.
Dabei beziehen sich die in Klammern gesetzten Angaben der linken Spalte ausschließlich auf das Beispiel 9; für dieses Beispiel waren die Ventile zum Teil als D8rossel-, anstatt als reine Absperrventile ausgebildet.The information in brackets relates to the left column exclusively to example 9; for this example the valves were in part designed as throttle valves instead of pure shut-off valves.
Tabelle: Versuchsbeispiel Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Adsorbtionsdruck der Salpetersäureanlage 3 3 6 4 4 3 5 7 1,05 in bar Abgasvolumenstrom in 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 m³/h im Normzustand NOx-Volumenanteil des 800 1100 900 700 1000 2000 850 800 1100 Abgases in ppm Abgastemperatur in °C 22 22 22 22 22 22 22 22 22 Adsorbervolumen in m³ 0,16 0,17 0,095 0,13 0,14 0,26 0,11 0,085 0,48 Adsorberdurchmesser in 0,5 0,5 0,4 0,5 0,5 0,6 0,4 0,4 0,80 m Betthöhe der Adsorptionsmittelschicht 0,81 0,87 0,76 0,66 0,71 0,92 0,88 0,68 0,97 in m innere Oberfläche des Adsorptionsmittels in 800 800 800 760 760 740 700 720 740 m²/g nach Brunauer, Emmett und Teller Druckaufbaudauer von etwa 1 (0,1) bar auf 5 5 5 4 4 4 4 4 2 Adsorptionsdruck in min. Table: Experimental example No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 adsorption pressure of the nitric acid plant 3 3 6 4 4 3 5 7 1.05 in bar exhaust gas volume flow in 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 m³ / h in the normal state NOx volume fraction of the 800 1100 900 700 1000 2000 850 800 1100 exhaust gas in ppm exhaust gas temperature in ° C 22 22 22 22 22 22 22 22 22 Adsorber volume in m³ 0.16 0.17 0.095 0.13 0.14 0.26 0.11 0.085 0.48 adsorber diameter at 0.5 0.5 0.4 0.5 0.5 0.6 0.4 0.4 0.80 m bed height of the Adsorbent layer 0.81 0.87 0.76 0.66 0.71 0.92 0.88 0.68 0.97 in m inner Surface of the adsorbent in 800 800 800 760 760 740 700 720 740 m² / g Brunauer, Emmett and Teller pressure build-up time from about 1 (0.1) bar to 5 5 5 4 4 4 4 4 2 Adsorption pressure in min.
Versuchsbeispiel Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Adsobtionsdauer auf 40 40 40 30 30 25 30 30 25 Adsorbtionsdruck in min.Experimental example No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 adsorption time to 40 40 40 30 30 25 30 30 25 Adsorption pressure in min.
Dauer der Entspannungsdesorbtion (Evakuierung) 2 2 3 2 2 2 2,5 3 5 von Adsorbtionsdruck auf etwa 1(0,1) bar in min.Duration of relaxation desorption (evacuation) 2 2 3 2 2 2 2.5 3 5 from adsorption pressure to approx. 1 (0.1) bar in min.
Dauer der Desorbtionsspülung bei etwa 1 (0,1) bar 33 33 32 24 24 19 23,5 23 18 in min.Duration of desorption rinsing at approx. 1 (0.1) bar 33 33 32 24 24 19 23.5 23 18 in min.
NO-Anteil im Abgas hin- 130 165 140 120 160 330 115 110 210 ter dem Adsorber in ppm NO2-Anteil im Abgas hin- <10 <10 <10 <10 <10 <10 <10 <10 <10 ter dem Adsorber in ppm Anzahl der Druckwechsel- 18 18 20 22 22 16 27 25 16 zyklen von einer thermischen Regeneration Mengen an Regenerations- 40 40 38 45 45 80 37 38 150 gas in m³/h Temperatur des Regenera- 90 90 90 90 90 90 90 90 90 tionsgases in °C Dauer der Regenerations- 19 19 20 17 17 10 21 20 10 gasanwendung in h Versuchsbeispiel Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Menge an Kühlluft in 100 100 100 100 100 150 100 100 250 m³/h Dauer der Kühlluftan- 5 5 6,67 5 5 3,33 6 5 3,33 wendung in h Imprägnierung des Adsorbtionsmittels S/0,25 S/0,35 K/0,083 K/0,42 K/0,42 Cu/0,32 S/1,7 Na/0,26 K/0,42 mit S, K, Cu oder Na in Gew.-% Die Adsorptionsmittel waren auf folgenden Weise hergestellt und imprägniert worden: S-Dotierung: CS2-N2-Gemisch durchströmt Aktivkohle-Reaktor für 2 h bei 550° C.NO content in the exhaust gas 130 165 140 120 160 330 115 110 210 ter dem Adsorber in ppm NO2 content in the exhaust gas - <10 <10 <10 <10 <10 <10 <10 <10 <10 ter the adsorber in ppm Number of pressure changes 18 18 20 22 22 16 27 25 16 cycles of a thermal regeneration Amount of regeneration 40 40 38 45 45 80 37 38 150 gas in m³ / h temperature of the regenerator 90 90 90 90 90 90 90 90 90 tion gas in ° C Duration of the regeneration 19 19 20 17 17 10 21 20 10 gas application in h Experimental Example No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 amount of cooling air in 100 100 100 100 100 150 100 100 250 m³ / h Duration of the cooling air 5 5 6.67 5 5 3.33 6 5 3.33 turn in h Impregnation of the adsorbent S / 0.25 S / 0.35 K / 0.083 K / 0.42 K / 0.42 Cu / 0.32 S / 1.7 Na / 0.26 K / 0.42 with S, K, Cu or Na in Wt% The adsorbents were made in the following manner and impregnated: S-doping: CS2-N2 mixture flows through activated carbon reactor for 2 h at 550 ° C.
Cu bzw. K-Dotierung: wassrige Lösung von Kaliumsulfat wird zum Tränken von Aktivkohle bei 300 C über 4 h verwendet. Danach Trocknung bei 170° C in Inertgas und thermlsche Behandlung bei 6000 C Uber 2 h in Stickstoffstrom.Cu or K doping: aqueous solution of potassium sulfate is used for impregnation of activated charcoal at 300 C for 4 hours. Then drying at 170 ° C in inert gas and thermal treatment at 6000 ° C. for 2 hours in a stream of nitrogen.
Aus den Zahlenangaben der Versuchsbeispiele läßt sich folgendes erkennen: i trose-Gase aus Salpetersäureabsorptionsanlagen können unter unterschiedlichen 3edingungen gereinigt werden, wobei die Absorptionsdrücke in Bereichen von twa 1 bis 7 bar und die NOx -Konzentration zwischen 700 una 2000 ppm schwanken können. Diese Auslegungswerte geben nicht die Grenzen deu Verfahrens zur NOx-Entfernung an, vielmehr geben sie den bereich der Bedingungen an, wie sie nach Salpetersäureabsorptionsanlagen vorliegen, die tei Normal- bzw. Nitteldruck betrieben werden.The following can be seen from the figures given in the experimental examples: i trose gases from nitric acid absorption systems can be under different 3 conditions are cleaned, whereby the absorption pressures in ranges of about 1 up to 7 bar and the NOx concentration between 700 and 2000 ppm. These design values do not give the limits of the NOx removal process rather, they indicate the range of conditions as they are after nitric acid absorption systems are present, which are operated partially normal or medium pressure.
Beispiele 1, 2 und 7 belegen die Eignung von schwefeldotierten Aktivkohlen. beispiel 1 und 2 zeigen, wie sich die Auslegung bei variabler NOx-Eintrittskonzentration und geringer Dotierung ändert. Beispiel 7 zeigt, daß bei höherem Adsorptionsdruck und ähnlichen NOx-Eintrittskonzentrationen das Adsorbervolumen stark verringert werden kann.Examples 1, 2 and 7 demonstrate the suitability of sulfur-doped activated carbons. Example 1 and 2 show how the design works with a variable NOx inlet concentration and low doping changes. Example 7 shows that at higher adsorption pressure and similar NOx entry concentrations, the adsorber volume is greatly reduced can be.
Beispiele 3, 4 und 5 belegen die t':ignung kaliumdotierter Aktivkohlen bei unterschiedlichen Adsorptionsdrucken und NOx-Belastungen.Examples 3, 4 and 5 demonstrate the suitability of activated carbons doped with potassium at different adsorption pressures and NOx loads.
Reispiel 6 und 8 zeigen, daß auch Dotierungen mit Kupfer und Natrium geeignet sind.Example 6 and 8 show that doping with copper and sodium are suitable.
Gegenüber Verfahren mit ausschließlich thermischer Regeneration ergeben sich im wesentlichen die folgenden Vorteile; Die Adsorbervolumina sind kleiner, da die Regenerationszeiten be: der Druckwechseladsorption erheblIch kleiner als bei der thermischen Regeneration sind.Compared to processes with exclusively thermal regeneration essentially the following advantages; The adsorber volumes are smaller, since the regeneration times be: the pressure swing adsorption considerably smaller than are in thermal regeneration.
Der Energieaufwand ist geringer aus mehreren Gründen: Im Vergleich zu Zeolithen, die auch eingesetzt werden, die sehr hydrophil sind, ist die Regeneration einfacher, da weniger Wasserdarpf desorbiert werden muß. Gegenüber weniger hydrophilen Adsorptionsmitteln besteht der Vorteil in der weniger häufigen thernllschen Regeneration und in der vergleichsweise niedrigen Regenerationstemperatur.The energy expenditure is lower for several reasons: In comparison to zeolites, which are also used, which are very hydrophilic, is regeneration easier, since less water vapors have to be desorbed. Compared to less hydrophilic Adsorbents have the advantage of less frequent thermal regeneration and in the comparatively low regeneration temperature.
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