Membrane gas separation at low temperatures and high activity levels

• Membran-Gastrennung bei tiefen Temperaturen und hohem Aktivitätsniveau

Alders, Michael Theo; Wessling, Matthias (Thesis advisor); Favre, Eric (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - chemical process engineering 19 (2021)
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Membranen stellen ein energiesparendes Trennverfahren zur Aufbereitung Gasgemischen dar und sind in der kommerziellen Gasaufbereitung zunehmend etabliert. In der Regel wird der Stofftransport durch Membranen mit einem einfachen Lösungsdiffusionsmodell (LDM) beschrieben. In diesem Modell sind allerdings viele Vereinfachungen und Annahmen implizit enthalten, wobei das LDM häufig weit über die Zulässigkeit dieser Vereinfachungen hinaus angewandt wird. So sind in der Vergangenheit neue Materialien für Gaspermeationsmembranen vornehmlich nach ihrer Reingasselektivität bei ca. 35℃ bewertet worden. Allerdings ist bekannt, dass viele Materialien eine höhere Selektivität bei niedrigen Temperaturen zeigen. In der vorliegenden Arbeit werden publizierte Permeationsdaten von hunderten Polymeren zusammengetragen und evaluiert. Die Aggregation dieser Daten erlaubt erstmals die systematische Analyse temperatursensitiver Materialeigenschaften von Gaspermeationsmembranen. Ebenso werden materialsystemspezifische Eigenschaften untersucht. Die so gewonnenen Daten werden anschließend genutzt, um klassische Gasaufbereitungsprozesse durch eine Verringerung der Betriebstemperatur zu verbessern. Dazu wird ein techno-ökonomisches Prozessmodell erstellt und mit den Membranparametern verknüpft. Durch nichtlineare globale Optimierung kann somit die optimale Betriebstemperatur eines Prozesses für jedes Materialsystem spezifisch ermittelt werden. Im Falle von gummiartigen Membranen kann eine Steigerung der Membranselektivität auch durch Quelleffekte verursacht werden. Um diese Effekte systematisch vorhersagen zu können wird ein halb-empirisches Permeationsmodell verwendet. Exemplarisch wird das Modell genutzt um Stoffdaten von PDMS als idealstem Membranmaterial zu ermitteln. Mit Hilfe dieses Modells ist es nun erstmals möglich, das Membranverhalten in Anwesenheit höherer Kohlenwasserstoffe qualitativ und quantitativ für verschiedene Temperaturen vorherzusagen. Diese Mischeffekte werfen zudem die Frage nach dem grundsätzlichen physikalischen Verhalten polarer und unpolarer Dämpfe in PDMS-Membranen auf, die anschließend untersucht werden. Für Kohlenwasserstoffe entsprechen die Ergebnisse dem zu erwartenden Verhalten, bei polaren Dämpfen werden jedoch Effekte beobachtet, die sich nicht abschließend aufklären lassen. Mögliche Ursachen hierfür werden beschrieben und diskutiert. Zuletzt wird ein Ausblick auf weitere Anwendungen und Trennaufgaben gegeben, die von den in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen profitieren können.