Transporteigenschaften gemischtleitender Hochtemperaturmembranen zur Sauerstoffabtrennung

Engels, Stephan; Modigell, Michael

doi:31679

Transporteigenschaften gemischtleitender Hochtemperaturmembranen zur Sauerstoffabtrennung = Mass transfer properties of mixed ion electron conducting membranes for the oxygen separation from air

Engels, Stephan (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefan Engels

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang119 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Modigell, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-02-10

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-41489
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82895/files/4148.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Mechanische Verfahrenstechnik (416220)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Perowskit (Genormte SW) ; Luftzerlegung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; gemischtleitende Membran (frei) ; Wagner-Gleichung (frei) ; Konzentrationspolarisation (frei) ; mixed ion electron conducting membrane (frei) ; perovskite (frei) ; air separation (frei) ; Wagner-equation (frei) ; concentration polarization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wird der Stofftransport durch gemischtleitende Hochtemperaturmembranen mit der Zusammensetzung Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-d (BSCF) zur Sauerstoffabtrennung aus Luft untersucht. Dabei werden alle relevanten Stofftransportwiderstände berücksichtigt und deren Einfluss auf den Sauerstofffluss durch die Membran analysiert. Hierzu werden experimentelle Untersuchungen zur O2-Permeationsrate und CFD-Simulationen der Versuchsstände durchgeführt und Modelle zur Beschreibung des Stofftransportes über eine inverse Parameteranpassung validiert. Die CFD-Simulation bietet dabei einen örtlich hochaufgelösten Einblick in die sonst messtechnisch unzugänglichen Bedingungen nahe der Membranoberfläche, die entscheidend für den Sauerstofftransport über die Membran sind. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, die intrinsischen Materialkonstanten CWagner und KWagner der Wagner-Gleichung und die charakteristische Membrandicke LC(T) zu ermitteln. Des Weiteren lassen sich mögliche Konzentrationspolarisationeffekte in den Gasphasen und die Transportwiderstände des Sauerstofftransportes wie Bulktransport im Membranmaterial, Oberflächenaustausch und Gasphasentransport bestimmen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass der O2-Stofftransport durch BSCF-Membranen bei Temperaturen oberhalb von 800°C nur geringfügig vom Oberflächenaustausch limitiert wird und so eine Steigerung der O2-Permeationsrate durch eine weitere Verringerung der Membrandicke möglich ist. Festgestellt wird weiter, dass es zu teilweise deutlichen Konzentrationspolarisationseffekten kommt, die den Sauerstofftransport über der Membran maßgeblich beeinflussen. Dabei können die feed- und permeatseitigen Gasphasenwiderstände zusammen bis zu 40% des Gesamtwiderstandes ausmachen. Weiter wird der Einfluss von den Schadgaskomponenten CO2, SO2 und ausgedampften Chromverbindungen auf den Sauerstofftransport untersucht. Hierzu werden perowskitische (BSCF, Sr0,5Ca0,5Mn0,8Fe0,2O3-d) und perowskitähnliche Materialien (La2NiO4+d) experimen-tell untersucht und auf ihre Einsatzfähigkeit im OXYCOAL-AC Kraftwerksprozess hin beurteilt. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass Membranen aus BSCF die höchsten O2-Permeationsraten aufweisen, jedoch bei Kontakt zu CO2-reichem Spülgas Degradationseffekte auftreten, die zu einem Rückgang der O2-Permeationsrate führen. Die Membranmaterialien SCMF und La2NiO4+d zeigen hier eine bessere Stabilität gegenüber CO2. Unter Einfluss von 360 ppm SO2 sind diese jedoch ebenfalls nicht einsetzbar. Darüber hinaus zeigt sich in Langzeittests, dass sowohl BSCF als auch SCMF mit ausgedampften CrO3 reagiert, welches zu einem langsamen Abfall der O2-Permeationsrate führt.

The work at hand deals with the mass transfer through mixed conducting high temperature membranes with the material composition Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-d (BSCF), which are used for the oxygen separation from air. Thereby the analysis considers all relevant mass transport resistances and shows their influence on the oxygen mass transfer across the membrane. For this purpose, experimental studies on the O2-permeation rate and CFD-simulations of the test facilities are made and the mass transfer models are validated by an inverse parameter fitting. Thereby the CFD simulation gives detailed information about the conditions near the membrane surface, which are crucial for the oxygen transport across the membrane. By experimental measurement methods these information are normally not accessible. This approach makes it possible to determine the intrinsic material constants CWagner and KWagner of the Wagner-equation and the characteristic membrane thickness LC(T). Further possible concentration polarization effects in the gas phases and the mass transport resistances (bulk transport in the membrane material, surface exchange and the gas phase transport) can be determined. The work at hand shows, that the oxygen mass transfer through the BSCF membranes at temperatures above 800°C is limited only slightly by the surface exchange processes. Due to that an increase of the O2-permeation rate will be possible by further decreasing the membrane thickness. Furthermore there exist significant concentration polarization effects, which have an effect on the mass transport across the membrane. Here the feed and permeate gas phase resistances together can account for up to 40% of the total mass transfer resistance across the membrane. Further the influence of the flue gas components CO2, SO2 and evaporated chromium from steel on the oxygen mass transfer has been studied. Here the perovskite materials BSCF and Sr0.5Ca0.5Mn0.8Fe0.2O3-d(SCMF) and the perovskite related material La2NiO4+d have been studied experimentally and evaluated concerning their applicability in the OXYCOAL-AC power plant process. The results show that BSCF membranes have the highest oxygen permeation rate, but in contact with CO2-rich gas they show degradation effects. These lead to a decreasing of the O2-permeation rate. SCMF and La2NiO4+d show a better stability against CO2, but they are also not applicable, if they are exposed to 360 ppm SO2. Further it has been determined in long term tests that both SCMF and BSCF react with evaporated CrO3 from steel, which leads to a slow decrease of the O2-permeation rate.

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