Einführung
Trennungsprozesse sind ein wichtiger Bestandteil der chemischen Industrie. Die Trennung von Olefinen und Paraffinen ist eine der industriell relevantesten Trennverfahren für die Herstellung von Kunststoffen. Weltweit werden jedes Jahr 150 Millionen Tonnen Ethylen und 130 Millionen Tonnen Propylen hergestellt. Druckwechseladsorption, Membrantrennung und kryogene Destillation sind drei Verfahren, die zur Trennung von Olefinen und Paraffinen für die Kunststoffherstellung eingesetzt werden können.
Die kryogene Destillation ist die am häufigsten verwendete Methode zur Trennung von Ethan und Ethylen. Bei der kryogenen Destillation werden Ethan und Ethylen durch ihren unterschiedlichen Siedepunkt voneinander getrennt. Ethan hat einen Siedepunkt von -89 °C und Ethylen einen Siedepunkt von -103,7 °C. Aufgrund der Ähnlichkeit dieser Siedepunkte ist die Trennung von Ethan und Ethylen durch kryogene Destillation äußerst kostspielig, da in der Regel Hunderte von Böden in einer Destillationskolonne erforderlich sind, um die erforderliche Reinheit des Ethylens als Produkt zu erreichen.
Die membrangestützte Trennung von Ethan und Ethylen wird in kleinerem Maßstab als die kryogene Destillation durchgeführt. Auch hier sind Ethan und Ethylen in Größe und Form ähnlich, was die Trennung erschwert. Für eine erfolgreiche Trennung der beiden Gase ist ein großes Druckgefälle erforderlich. Außerdem ist die Trennleistung einer Membran nicht in der Lage, die gleiche Reinheit des Ethylens zu erreichen, wie sie in einer Destillationskolonne erzeugt werden kann. Daher ist im Allgemeinen eine weitere Verarbeitung erforderlich, um die gewünschte Reinheit zu erreichen.
Adsorptive Trennverfahren, wie die Druckwechseladsorption, sind die letzte Methode zur Trennung von Ethan und Ethylen. Die Druckwechseladsorption erfordert weniger Energie für die Trennung von Ethan und Ethylen als die kryogene Destillation. Wie bei der Membrantrennung ist es jedoch schwierig, die gewünschte Reinheit in einem Schritt zu erreichen, so dass mehrere Adsorptionskolonnen erforderlich sind. Dennoch werden laufend neue Materialien untersucht, um die adsorptionsbasierte Trennleistung für Ethan und Ethylen zu verbessern.
Experimentelle
Das Molekularsieb 5A wurde für Experimente zur adsorptiven Trennung von Ethan und Ethen verwendet. Vor der Analyse wurde MS 5A eine Stunde lang bei 100 °C unter Heliumfluss aktiviert und anschließend weitere 10 Stunden lang auf 300 °C erhitzt. Anschließend ließ man die Probe auf Raumtemperatur abkühlen, bevor man mit den Durchbruchmessungen begann.
Der Durchbruch wurde bei 25 °C und atmosphärischem Druck mit einer äquimolaren Durchflussrate von Ethan (2 sccm) und Ethylen (2 sccm) in einem Helium (15 sccm) Trägergas durchgeführt. Argon (1 sccm) wurde als Tracergas verwendet, um den Beginn der Durchbruchsmessungen zu bestimmen. Das Experiment galt als abgeschlossen, wenn die gemessene Ausgangskonzentration ein Gleichgewicht erreichte. Nach dem Durchbruch wurde die Probe 20 Minuten lang unter Heliumfluss gespült, bevor sie auf 100 °C erhitzt wurde, um alles adsorbierte Ethan oder Ethylen zu entfernen. Es wurden insgesamt drei Durchbruchsmessungen in Zyklen durchgeführt, wobei vor jedem Zyklus eine vollständige Aktivierung erfolgte.
Ergebnisse
Die Durchbruchskurven für die drei Ethan-Ethylen-Adsorptionsversuche am Molekularsieb 5A sind in Abbildung 1 dargestellt.
Alle drei Messungen stimmten überein und zeigen Peakformen, die mit einer konkurrierenden Adsorption zwischen Ethan (schwaches Adsorptionsmittel) und Ethylen (starkes Adsorptionsmittel) vereinbar sind. Das Aufrollen von Ethan ist in den Durchbruchskurven deutlich zu erkennen, und eine erhebliche Menge Ethan wird durch die Adsorption von Ethylen verdrängt. Die Gleichgewichtsmenge des adsorbierten Ethans betrug etwa 0,3 mmol/g und die Gleichgewichtsmenge des adsorbierten Ethylens etwa 1,9 mmol/g, was zu einer Selektivität zwischen 5,5 und 6,5 bei den drei Messungen führt.
Bei den Durchbruchexperimenten bricht zuerst Argon (Tracergas) durch, gefolgt von Ethan. Die Argonkonzentration sinkt beim Durchbruch von Ethan, da sich die Konzentration des Austrittsgases ändert. Zu Beginn des Experiments strömen nur Argon und das Trägergas Helium zum Massenspektrometer. Sobald Ethan durchbricht, erreichen Argon, Helium und Ethan das Massenspektrometer. Zu Beginn ist die Ethankonzentration am Auslass aufgrund des Aufrollens höher als die Konzentration am Einlass. Nachdem Ethylen die Sättigung erreicht hat, sinkt die Ethankonzentration auf die Einlasskonzentration. Zu diesem Zeitpunkt haben alle Spezies das Gleichgewicht erreicht, und das Durchbruchexperiment ist abgeschlossen. Tabelle 1 zeigt die Gleichgewichtsmengen, die für Ethan und Ethylen adsorbiert wurden, sowie die Selektivität für alle drei Versuche.
Schlussfolgerung
Das Molekularsieb 5A ist ein wirksames Adsorptionsmittel für die Abtrennung von Ethylen von Ethan, das in diesen Durchbruchsstudien eine Selektivität von etwa 6,5 erreichte. Außerdem haben wir festgestellt, dass die Gleichgewichtsadsorptionsmenge von Ethylen 1,9 mmol/g beträgt.
