Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7390
Main Title: Experimentelle Analyse und Modellierung des Stofftransportes durch Kohlenstoffmembranen bei der Hochdruckgastrennung
Translated Title: Experimental analysis and modelling of mass transport through carbon membranes for high pressure gas separation
Author(s): Kruse, Nicolas
Advisor(s): Repke, Jens-Uwe
Braun, Gerd
Referee(s): Repke, Jens-Uwe
Braun, Gerd
Fieback, Tobias
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Obwohl die Gastrennung mit Kohlenstoffmembranen mittlerweile ein etabliertes Gebiet der Membranforschung darstellt und Kohlen-stoffmembranen generell geeignet für den Einsatz unter Hochdruckbedingungen sind, liegen bisher nur wenige Veröffentlichungen zur Untersuchung ihres Trennverhaltens oberhalb von 2 MPa vor. Auch die etablierten Stofftransportmodelle zur Beschreibung von porösen Membranen bilden die bisher publizierten Messergebnisse für hohe Drücke nicht zufriedenstellend ab. Die Erforschung der Hochdruck-gastrennung mit Kohlenstoffmembranen zielt mittelfristig auf den industriellen Einsatz dieser Membranen ab. Hierfür muss eine fun-dierte wissenschaftliche Basis geschaffen werden. Die Einführung von Membranen für die Trennung von Gemischen unter extremen Prozessbedingungen würde insbesondere in der chemischen Indust-rie neue effiziente Prozesse ermöglichen. Diese Arbeit betrachtet das Trennverhalten von Kohlenstoff-membranen bei hohen Drücken und Temperaturen bis zu 450 K. Mit einer in Rahmen dieser Arbeit entwickelten Versuchsanlage wurden CO2-Mischungen und Einzelgasflüsse unterschiedlicher Gase und die Selektivität für verschiedene CO2-Gasgemische bei Feeddrücken bis 20 MPa und Transmembrandrücken bis 7 MPa vermessen. Das Adsorptionsgleichgewicht der untersuchten Gase auf dem Membranmaterial wurde bis zu einem Druck von 10 MPa gravimetrisch und volumetrisch ermittelt. Für die Beschreibung des Stofftransportes durch die Membran wurde ein neuer Ansatz auf Basis der Maxwell-Stefan-Diffusion entwickelt, der den Stofftransport bei Hochdruckbedingungen für die untersuchten Membranen und Gase bzw. Gasmischungen beschreiben kann. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse aus Permeations- und Adsorptionsmessungen wurden die Modellparameter ermittelt, die die vorhandenen Wechselwirkungen zwischen dem Fluid und der Membran sowie zwischen den Gemischkomponenten beschreiben. Darüber hinaus wurde eine weitere Apparatur entwickelt, die es ermöglicht, die Quellung des Kohlenstoffmembranmaterials bei hohen Drücken zu vermessen. Die Ergebnisse der Quellungsmes-sung zeigen für Sauerstoff eine Volumenzunahme von bis zu 0,2 % des Kohlenstoffmaterials. Eine Abschätzung zur Änderung der Porengröße legt nahe, dass die Quellung für die Permeanz bei hohen Drücken nicht vernachlässigt werden kann. Dieser Einfluss wird auch durch die experimentellen Ergebnisse für den Stofftransport durch die Membran bestätigt. Generell kann gezeigt werden, dass Kohlenstoffmembranen für die Gastrennung bei hohen Drücken und Temperaturen geeignet sind. Damit der Trennfaktor nicht durch das treibende Potential limitiert wird, ist es aber essentiell, den Prozess bei hohen Trans-membrandrücken zu betreiben. Daher ist eine hohe mechanische Festigkeit der Membranen erforderlich. Die in dieser Arbeit unter-suchten, als Kompositmembranen ausgeführten, Kohlenstoffmemb-ranen, wie auch die meisten in Publikationen erwähnten asymmetrischen Hohlfasermembranen, weisen die aktive Schicht auf der Innenseite des Rohres bzw. der Hohlfaser auf. Der Druckbereich bei dem diese Membranen eingesetzt werden können, wird bei einer Druckbeaufschlagung auf der Innenseite durch die Festigkeit dieser Membranen erheblich limitiert. Eine außenseitige Trennschicht würde diese Problematik beseitigen, da die keramischen Werkstoffe eine vielfache Druckfestigkeit gegenüber ihrer Zugfestigkeit aufweisen.
Gas separation with carbon membranes has become well-established in the field of membrane research. Although carbon membranes are excellently suited for operation at high pressure, little research has been published on the separation characteristics at 2 MPa and above. Furthermore, the established transport models for porous membranes are inadequate to describe mass transport at high pressure in carbon membranes. In the medium term, the research aims at introducing carbon membranes for high pressure separation in industrial applications. Therefore, a profound scientific basis has to be established. The introduction of membrane separation for high pressure and high temperature application would lead to new efficient processes, especially in the chemical industry. This work investigates the selective transport behaviour in car-bon membranes at high pressure and temperature of up to 450 K. For this purpose, a membrane test plant was developed to conduct separation experiments. Different CO2 containing gas mixtures at feed pressure up to 20 MPa and transmembrane pressures up to 7 MPa have been experimentally investigated. The adsorption equilibrium of the mixture components were obtained for a pressure of up to 10 MPa by gravimetric and volumetric measurement. A new approach based on the Maxwell–Stefan diffusion was developed to model high pressure mass transfer for the investigated gases and mixtures in carbon membranes. Model parameters to describe the fluid-fluid as well as the fluid-membrane interactions were obtained, based on the results from the permeation and adsorption experiments. In order to allow measuring the swelling of the carbon mem-brane material at up to 20 MPa a novel apparatus was developed und used to obtain measurements. The results show for a high pres-sure oxygen atmosphere a swelling of up to 0.2 %. An estimation of the pore size change indicates that the swelling is not negligible for transport properties of the membrane at high pressure. This influ-ence of the swelling effect is supported by the results of the permea-tion experiments as well. In general, it can be shown that carbon membranes are suitable for high pressure and high temperature gas separation. To avoid a limitation of the separation factor by the driving potential, it is essential to operate the separation process at a high transmembrane pressure. Therefore, a high mechanical strength of the membrane is required. The composite membranes, investigated in this work, as well as most asymmetric hollow fibre carbon membranes have the separation layer on the inside. The pressure range for these membranes is considerably reduced compared to membranes with an outside separation layer because of the material properties of carbon and ceramics.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8239
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7390
Exam Date: 20-Aug-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 1-Oct-2018
DDC Class: 660 Chemische Verfahrenstechnik
Subject(s): carbon membrane
gas separation
high pressure
carbon swelling
adsorption
Kohlenstoffmembran
Gastrennung
Hochdruck
Kohlenstoffquellung
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License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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