E-learning gaszuiverheid

De onzuiverheid: Vocht

Het zuiveringsmedium: Zeolieten
Principe: fysisorptie

In toepassingen zoals industriële productie, waar 5Ns zuiverheid vereist is, is vocht de meest voorkomende onzuiverheid die moet worden verwijderd. In dergelijke gevallen zijn zeolieten, die gemakkelijk gehydrateerd en gedehydrateerd kunnen worden, ideale zuiveringsmedia. Via fysisorptie, de fysieke binding van gasmoleculen aan een oppervlak, wordt vocht uit het gas verwijderd terwijl het door de zeoliet stroomt.

Wat zijn zeolieten?

Zeolieten behoren tot de aluminosilicaten en zijn opgebouwd uit verbindingen van zuurstof, silicium en aluminium. Zeoliet is een 100% natuurlijk vulkanisch kleimineraal. Dit kleimineraal is honderdduizenden jaren geleden ontstaan, doordat vulkanische aswolken terecht kwamen in zouthoudend water uit zeeën en meren. Dit leverde een kleilaag op die geleidelijk in een zacht poreus gesteente is veranderd: Zeoliet.

Natuurlijke zeolieten zijn er in vele soorten en kwaliteiten, en worden op uitgebreide schaal gedolven op meerdere plaatsen ter wereld. Er zijn circa 60 verschillende soorten natuurlijke zeolieten te onderscheiden. Daarnaast zijn er in de laboratoria inmiddels meer dan zeshonderd synthetische zeolieten gefabriceerd, elk met specifieke eigenschappen. De petrochemische industrie is grootverbruiker van zeoliet.

Zeolieten voor gaszuivering

Voor gas purifiers is het echt essentieel om de juiste zeoliet te kiezen op basis van het gebruikte gas. De meest gebruikte zijn: clinoptiloliet (de meest voorkomende natuurlijke zeoliet), chabaziet, mordeniet en erioniet. Voor optimale resultaten is het nodig dat de eigenschappen van de geselecteerde zeoliet zijn afgestemd op de eigenschappen van het gas. In het geval van een onjuiste selectie van het zeoliet kan dat de volgende gevolgen hebben:

1. Verzadigd vocht door het onjuiste zeoliet kan warmte genereren in de purifier.
2. Een onjuiste poriegrootte kan de efficiëntie en het vermogen negatief beïnvloeden.
3. Incompatibiliteit van het zeoliet met corrosieve en sommige andere gassen beïnvloeden de prestaties en brengen ook de veiligheid in gevaar.

De onzuiverheden: Zuurstof en koolmonoxide

De zuiveringsmedium: Metaalkatalysator
Principe: chemisorptie

In gevallen waar zuurstof of koolmonoxide moet worden verwijderd, wordt een breed scala aan metaalkatalysatoren gebruikt, zoals nikkel, koper en palladium. Deze metalen worden vaak niet in hun pure elementaire vorm gebruikt, maar als poeders die in hoeveelheden van slechts 0,5% op zeolieten zitten. De zeolieten hebben in dit geval als functie het oppervlak te vergroten.

De verwijdering van de beoogde onzuiverheden berust op chemisorptie, waarbij sterke elektrische bindingen worden gevormd tussen het oppervlak en het adsorbaat. In tegenstelling tot fysisorptie, waarbij Van der Walls-krachten zwakke bindingen tot stand brengen tussen de gasonzuiverheden en het oppervlak, leidt chemisorptie tot het ontstaan van een afzonderlijke chemische soort op het adsorptieoppervlak. Als bijvoorbeeld O of CO van nikkel wordt verwijderd, worden respectievelijk nikkeloxide en nikkelmonoxide gevormd. Vervolgens wordt bij verhoogde temperaturen waterstof ingebracht, die met de katalysator reageert om de koolstof- en zuurstofbindingen te reduceren en een zuiver nikkeloppervlak achter te laten. Beide typen purifiers zijn dus regenereerbaar:

Illustratie: zeoliet bewerkt voor een zo groot mogelijk oppervlak voor metaalkatalysatoren.

De onzuiverheden: Methaan en stikstof

De zuiveringsmedium: Zirkonium legering met zeldzame aardmetalen
Principe: chemische reactie

De verwijdering van methaan en stikstof vereist het gebruik van legeringen van zeldzame aardmetalen. Door de zeer reactieve aard van zeldzame aardmetalen met onzuiverheden vereisen deze toepassingen nog meer zorgvuldigheid om exotherme reacties met temperaturen van meer dan 2000°C te voorkomen.

In de meeste gevallen waarin methaan en stikstof worden verwijderd, is het zuiveringsmedium gebaseerd op zirkonium. De legering wordt dan verhit tot temperaturen boven 300°C, waarbij onzuiverheden aan het oppervlak worden geadsorbeerd en een permanent onderdeel van de legering worden. Vanwege de hoge temperaturen en de reactieve aard van de gassen hebben operators die met zeldzame aardmetalen werken training nodig en wordt er gewerkt met strikte procedures. Er worden extra sensors gebruikt en procesmonitoring en -sturing is robuust. Ook de onderdelen om de purifier heen en de elektrische installatie moet bestand zijn tegen hoge temperaturen. Purifiers die gebaseerd zijn op zirkonium legeringen zijn dus niet regenereerbaar.