Ziel der Entwicklung
Die Trennung von Gasströmen und die Abluftreinigung stellen grundlegende Operationen in der chemischen Technologie dar. Hier fallen nach einer Vielzahl von Reaktionen Gasgemische an, die mit den üblichen Trennverfahren, wie Adsorption, Destillation und Gaswäsche nicht effektiv getrennt werden können. Der Vorteil der Membrantechnik besteht im Wesentlichen darin, dass zwei Gasströme an einer teilweise permeablen Wand getrennt werden, ohne dass kostenintensive thermische Prozesse notwendig sind. Die Triebkraft der Membrantrennung sind die Druck- beziehungsweise Konzentrationsgradienten über die Membran.
So gewinnen die Membranverfahren zur Trennung/Aufbereitung von Gasen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Insbesondere im Bereich der Erzeugung reiner Gase und der Gewinnung von Biomethan aus Biogas haben sich die Membranverfahren etabliert. Durch die steigenden Anforderungen an die Trennung (Reinheit der Gase etc.), neue Materialien (chemische Modifikation der Oberfläche mit selektiven Amin-, Oxid-, Sulfid-Gruppen), die entwickelt werden und als Membranmaterial zur Anwendung kommen können sowie neue prozesstechnischen Möglichkeiten (Steuerung, Gasführung im Membranmodul), rückt die Membrantechnik immer mehr in den Fokus für Forschung und Industrie.
Die Gastrennung mittels Membrantechnik eröffnet ein zunehmendes Anwendungspotential, wobei jedoch die Technologie für die einzelnen Trennoperationen anzupassen ist. Hier sind sowohl Entwicklungsarbeiten bezüglich Membranmaterial als auch zur Prozessführung notwendig. Aus den hohen Kosten bei der Materialentwicklung und der Herstellung von Membranmodulen ergibt sich die Notwendigkeit, die Materialien bzw. die Technologie in einem kleintechnischen Maßstab zu erproben und zu optimieren. Dieser Maßstab erlaubt die direkte Übertragung der Ergebnisse.
Das Ziel des Vorhabens bestand in der Entwicklung einer Anordnung zur Austestung von Membranen und Membranmodulen für die Gasphase im kleintechnischen Maßstab. Mit dieser Anordnung sollen sowohl keramische als auch polymerbasierte Membranen bezüglich der Gastrennung insbesondere im Dauerbetrieb getestet werden können.
Vorteile und Lösungen
Um Membranen unter anwendungsnahen Bedingungen untersuchen zu können, wurde im Rahmen des Vorhabens ein Teststand entwickelt, mit dem einerseits Membranen für neue Anwendungsfelder beziehungsweise neue Membranen getestet und andererseits Membranen aus bestehenden Anlagen auf ihre Funktionstüchtigkeit untersucht werden können. Mit Hilfe des Teststandes ist es aufgrund der Kreislauffahrweise der Gasströme mit nur geringen Gasmengen und somit nur mit geringen Abgasmengen Membranen unter anwendungsnahen Bedingungen mit einem Feedgasstrom von bis 20 Normkubikmeter pro Stunde zu verwenden.
Im Rahmen des Vorhabens wurde die Testanordnung in mehreren Ausbaustufen schrittweise aufgebaut, getestet und weiterentwickelt. In der ersten Ausbaustufe wurde mit vorwiegend Handbetrieb die Realisierbarkeit des Konzeptes gezeigt. In der zweiten Ausbaustufe wurde die Anlage automatisiert, so dass ein Betrieb über mehrere Tage ohne ständige personelle Überwachung möglich ist. Um die Alterung der Module zum Beispiel durch Feuchte und Schadstoffe im Dauerbetrieb untersuchen zu können, wurde in der zweiten Ausbaustufe eine Dosierung für Drittkomponenten entwickelt und in die Anordnung integriert. In der dritten Ausbaustufe wurde eine automatisierte Beprobung und Analyse inklusive Datenspeicherung der Edukt- und die beiden Produktgasströme integriert.
Das Funktionsmuster wurde in allen drei Ausbaustufen erfolgreich getestet und validiert.
Die Funktionalität der entwickelten Anordnung zeichnet sich durch folgende Gebrauchseigenschaften und technische Zielparameter aus: Flexibler Einsatz von keramischen, Kohlenstoff- und polymerbasierten Membranen möglich; Kreislaufführung der Gasströme durch die Rückführung von Retentat- und Permeatstrom; Eduktgasstrom von 1 bis 20 Normkubikmeter pro Stunde; Druckbereich (Edukt- bzw. Retentatseite) bis 20 bar (2 MPa); Retentat- und Permeatstrom fallen entsprechend der Trennleistung der eingesetzten Membran an und liegen im Bereich zwischen 0,2 bis 19 Normkubikmeter pro Stunde; geringe Abgasmengen aufgrund der Kreislaufführung; Messung von Druck, Volumenstrom und Temperatur für Eduktgas-, Retentat- und Permeatstrom; Beprobung von Eduktgas-, Retentat- und Permeatstrom über Probenahmeschleife bzw. spezielle Probenahmeeinrichtungen; Möglichkeit der Dosierung von Drittkomponenten über ein Bubbler- bzw. Verdampfersystem; Datenerfassung und -aufzeichnung von Druck, Temperatur, Sensormessungen sowie flexibler Betrieb aufgrund der Modulbauweise.
Zielgruppe und Zielmarkt
Der im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelte Membranteststand mit den entwickelten verschiedenen Testmodi ist für Hersteller von Membranmodulen zur Austestung neuer Membranen, zur Prüfung neuer Trennaufgaben und zum Einsatz in der Qualitätssicherung interessant.
Anlagenbauer und Betreiber von Membrananlagen können den Teststand in vereinfachter mobiler Form zur Qualitätssicherung (Testung von einzelnen Modulen) bei bestehenden Membrananlagen einsetzen.
Der Membranteststand mit den entwickelten verschiedenen Testmodi ist in allen Gebieten von Relevanz, bei denen im Rahmen der Produktion entsprechend reine Gase erzeugt oder Abgase gereinigt werden sollen. Membrananlagen werden demnach in vielen unterschiedlichen Bereichen eingesetzt, wo eine zuverlässige und kosteneffiziente Trennung und Reinigung eines breiten Spektrums an Prozessgasen erforderlich ist. Dabei werden diese als Einzelanlagen bzw. in Verfahrenskombination für zahlreiche Anwendungen in den Bereichen Raffinerie, Petrochemie, Chemie, Eisen-/Stahlherstellung und Bergbau genutzt.
Die wesentlichen Zielmärkte sind: Erzeugung von Biomethan aus Biogas vor Ort/ Reinigung von Erdgas (Abtrennung von Stickstoff und Sauergasen) / Gewinnung und Trennung von Prozessgasen (Stickstoff, Wasserstoff)/ Reinigung von Abgasen (Gewinnung von Kohlendioxid aus Kraftwerksprozessen)/ Abtrennung von flüchtigen organischen Bestandteilen aus den Abgasen von Prozessen, bei denen organische Lösungsmittel eingesetzt werde, auch mit Rückgewinnung von Wertstoffen (Herstellung von Folien, Rückgewinnung von Ethylen- und Propylen bei Polymerisationsprozessen)/ Einsatz in der Brennstoffzellentechnik/ Trennung von Wasserstoff und Methan aus der türkisen Wasserstofferzeugung und aus dem Erdgasnetz/ Gewinnung bzw. Abtrennung von wertvollen Komponenten aus (Aufkonzentrierung und Rückgewinnung)/ effiziente Behandlung von Rohgasen in verschiedenen Industrien, wie Raffinerien, Petrochemie, Chemie, Öl- und Fettchemie sowie Metallurgie.