Untersuchungen zur Abscheidung von Schweißgasgemischen

Diplomarbeit von Dietmar Irrgang

Zusammenfassung:

Untersuchung der Abscheidung von NO und NO2 aus einem Luftstrom mit geringer Schadstoffkonzentration (100 - 400 ppm) in einer Schüttung aus Aktivkohle bei Umgebungstemperatur.

Grundlagen zur Adsorption an Aktivkohle, zum Adsorptionsgleichgewicht, zur Adsorptionskinetik und zu den mathematischen Grundlagen werden dargestellt, ebenso die Mechanismen der NOX-Abscheidung an Aktivkohle.

Darstellung der bekannten Apparaturen zur Messung von Adsorptionsisothermen und Durchbruchskurven.

Experimentelle Messung der NOX-Abscheidegrade bei alleiniger Konfrontation der Aktivkohlefestbettschüttung mit NOX und bei zusätzlicher Verunreinigungen des Trägergases mit CO, bzw, H2, bzw. CO2 Berechnung der Durchbruchskurven nach der Näherung von Rosen mittels eines entsprechenden Computerprogrammes (Fortranprogramm im Anhang aufgeführt).

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
2.	Allgemeine Bemerkungen zur Aktivkohle	3
2.1	Historisches	3
2.2	Struktur	3
2.3	Chemische Eigenschaften	4
2.4	Herstellung	5
2.5	Sonstiges	5
3.	Allgemeine Bemerkungen zur Adsorption	7
3.1	Nomenklatur	7
3.2	Adsorptionsmechanismen	7
3.2.1	Physisorption	7
3.2.2	Chemisorption	8
3.2.3	Kapillarkondensation	9
3.3	Zusammenstellung der üblichen Begriffe bei der Adsorptionstechnik (speziell Aktivkohle)	10
4.	Adsorptionsgleichgewicht	14
4.1	Adsorptionsisothermen	14
4.2	Mathematische Behandlung von Isothermenverläufen	15
4.2.1	BET-Isotherme	15
4.2.2	Langmuir-Isotherme	16
4.2.3	Freundlich-Isotherme	17
4.2.4	Grenzfälle	17
5.	Adsorptionskinetik	18
5.1	Allgemeine Aussagen zur Form der Durchbruchskurve eines Adsorbers	19
5.1.1	Nicht zu starker Einfluß der Kinetik	19
5.1.2	Starker Einfluß der Kinetik	21
5.2	Allgemeine Bemerkungen zum Verlauf der Durchbruchskurve bei der Gasgemischadsorption	22
5.3	Mathematisches Modell	24
5.3.1	Die Grundgleichung für die Festbettadsorption	24
5.3.2	Berücksichtigung der Diffusionsvorgänge	29
5.3.2.1	Die äußere Diffusion	29
5.3.2.2	Die innere Diffusion	30
5.3.2.3	Die mathematische Behandlung der inneren Diffusion	31
	A) Diffusionsmodell	31
	B) Grenzschichtmodell	31
5.3.3	Zusammenstellung der benötigten Beziehungen zur Berechnung der Durchbruchskurve in einem Festbettadsorber und die Näherungslösung nach Rosen	36
5.3.3.1	Die Näherungslösung nach Rosen	36
5.3.3.2	Berücksichtigung der äußeren Diffusion	38
5.3.3.3	Weitere Behandlung der Näherungslösung nach Rosen	41
5.3.4	Nicht lineare Adsorptionsisotherme	42
5.3.5	Empirische Modelle	45
5.3.5.1	Anwendung des LUB-Modells auf binäre Gemische	47
6.	Die Stickoxidabscheidung	50
6.1	Allgemeine Bemerkungen zu den Stickoxiden	50
6.2	Die Stickoxidabscheidung an Aktivkohle bei geringen Schadgaskonzentrationen und Umgebungstemperatur	52
6.2.1	Einfluß der homogenen Oxidation	52
6.2.2	Die Adsorption von NO und NO2 an Aktiv-Kohle bei Umgebungstemperatur	53
6.2.2.1	Stickstoffoxid	54
6.2.2.2	Stickstoffmonoxid	54
6.2.3	Die katalytische Oxidation von NO und N02	56
6.2.3.1	Einfluß der NO-Eingangskonzentration	58
6.2.3.2	Einfluß der Temperatur	59
6.2.3.3	Einfluß des Druckes	60
6.2.3.4	Einluß des Wasserdampfgehaltes	61
6.2.3.5	Einfluß der Verweilzeit	62
6.2.3.6	Einfluß von Art und Zustand der Kohle	62
6.2.3.7	Sonstiges	63
6.2.4	Die Reduktion von Stickstoffmonoxid zu Stickstoff und Kohlendioxid	64
6.2.5	Die Reduktion von Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid und Kohlendioxid durch Aktivkohle	66
7.	Experimentelle Methoden	68
7.1	Die experimentelle Bestimmung von Adsorptionsisothermen	68
7.1.1	Volumetrische Methoden	69
7.1.2	Gravimetrische Methoden	71
7.2	Die experimentelle Bestimmung von Durchbruchskurven	72
8.	Konzipieren der Messstrecke für den Modell-Versuch zur Abscheidung von N0, N02 an Aktivkohle	74
8.1	Der Modelladsorber	74
8.2	Messgeräte zur Gasanalyse	78
8.2.1	Der NOx-Analysator	79
8.3	Der Versuchsaufbau	82
8.4	Die Versuchsdurchführung	83
9.	Messergebnisse, Auswertung und Diskussion	85
9.1	Der Aktivkohlezustand	85
9.2	Verhalten des NOx-Analysators	86
9.3	Die N0x-Eingangskonzentration	88
9.4	Vergleich der NOx-Abscheidung verschiedener Aktivkohlesorten	91
9.4.1	Der NO-Konzentrationsverlauf	93
9.4.2	Der NO2-Konzentrationsverlauf	95
9.4.3	Der NOxKonzentrationsverlauf	97
9.5	Die Beeinflussung der NOx-Abscheidung an Aktivkohle durch die Komponenten C0, C02, H2 und CH4	99
9.5.1	Auswahl einer Aktivkohlesorte	100
9.5.2	Auswahl der Schadgasmenge	100
9.5.3	Der C0-Einfluß	101
9.5.4	Der H2-Einfluß	102
9.5.5	Der C02-Einfluß	102
9.5.6	Der CH4-Einfluß	103
9.6	Der Modellversuch mit den dem technischen Adsorber entsprechenden Versuchsparametern (96-Stunden-Versuch)	104
9.7	Die bisher am IfV erzielten Ergebnisse zur N0x-Abscheidung	106
10.	Computerprogramm zur Berechnung von Durchbruchskurven gemäß der Näherungslösung von Rosen	107
10.1	Angleichen der berechneten Kurve an die gemessene Durchbruchskurve	108
10.2	Der Einfluss der Versuchsparameter auf die Form der Durchbruchskurve	110
10.3	Auswertung des 96-Stunden-Versuches	111
11.	Berechnung zur Auslegung des techn. Adsorbers	113
11.1	Die Adsorption von N02	113
11.2	Die katalytische Oxidation von N0 zu N02	113
12.	Verbesserungsvorschläge