Membrane based biogas upgrading processes

Scholz, Marco; Wessling, Matthias

doi:999910337523

Membrane based biogas upgrading processes = Membranbasierte Biogasaufbereitungsverfahren

Scholz, Marco (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marco Scholz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangXII, 191 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-10-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-48875
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229347/files/4887.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biogas (Genormte SW) ; Membran <Verfahrenstechnik> (Genormte SW) ; Membranverfahren (Genormte SW) ; Gaspermeation (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Biogasaufbereitung (frei) ; upgrading (frei) ; membrane (frei) ; gas permeation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Biogas besteht hauptsächlich aus Methan und Kohlenstoffdioxid und wird bei der Fermentation organischer Reststoffe, Energiepflanzen, Gülle und Klärschlämmen gewonnen. Oftmals wird das Biogas direkt in Blockheizkraftblöcken verstromt, wobei erhebliche Wärmemengen anfallen, die häufig ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden. Eine Alternative zur direkten Nutzung des Biogases, ist dessen Aufbereitung. Dabei wird hauptsächlich Kohlenstoffdioxid vom Methan getrennt, um den Brennwert des Gases zu erhöhen und um ein Produktgas zu erhalten, das als Erdgassubstitut ins Erdgasnetz eingespeist werden kann. Zum Betrieb konventioneller Biogasaufbereitungsverfahren sind erhebliche Energiemengen erforderlich, um Lösemittel oder Adsorptionsmaterialien zu regenerieren oder um tiefe Temperaturen für eine destillative Trennung bereitzustellen. Gaspermeationsmembranen stellen eine interessante Alternative zu konventionellen Biogasaufbereitungsverfahren dar. Insbesondere der einfache und modulare Aufbau sowie moderate Energieverbräuche machen ein membranbasiertes Biogasaufbereitungsverfahren besonders attraktiv für den Einsatz in landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Gaspermeationsmembranen sind auch für die bevorzugt zurückgehaltenen Gase durchlässig. Um hohe Produktgasreinheiten und hohe Produktgasausbeuten zu erhalten, ist eine intelligente Verschaltung mehrerer Membranstufen erforderlich. Durch die Vielzahl möglicher Prozesskonfigurationen und Prozessparametern führt eine auf Erfahrung basierende Prozessauslegung zu suboptimalen Prozessen. In dieser Arbeit wurde die Methode der Superstrukturoptimierung auf Gaspermeationsprozesse angewandt, um eine optimale Verschaltung von Gaspermeationsstufen und optimale Betriebsparameter zu identifizieren. In einem weiteren Schritt wurde ein optimales Membranmaterial ermittelt und hinsichtlich einer Markteinführung bewertet. Das optimale Biogasaufbereitungsverfahren wurde in ein rigoroses Prozessmodell überführt, um dynamische Prozesssimulationen durchzuführen. Anhand dieser Simulationen wurde ein Regelkonzept für das optimale Biogasaufbereitungsverfahren ermittelt. Zur rigorosen Untersuchung von Gaspermeationsmodulen wurde ein Model für Hohlfasermembranen in Aspen Custom Modeler implementiert. Das Modell berücksichtigt nicht-ideale Effekte, die beim Betrieb von Gaspermeationsmodulen beobachtet werden. Zu nennen sind: Der Joule-Thomson Effekt, Konzentrationspolarisation, Realgasverhalten und Druckverluste zu beiden Seiten der Membran. Oftmals entfalten Membranen ihr Potential in Kombination mit konventionellen Gastrennprozessen. Daher wurden hybride Gaspermeationsprozesse konventionellen Gasseparationsprozessen gegenübergestellt. Abschließend wurde ein Strukturoptimierungsmodell für das gesamte Biogasaufbereitungsverfahren erstellt, das neben der Abtrennung von Kohlenstoffdioxid, die Separation von Wasserdampf und Schwefelwasserstoff vom methanreichen Gasstrom berücksichtigt. Die in dieser Arbeit entwickelten und implementierten Simulations- und Optimierungsmodelle sind nicht auf Biogasaufbereitungsprozesse beschränkt. Eine Übertragung auf andere Gastrennprobleme ist leicht möglich. Somit bilden die Prozess- und Optimierungsmodelle eine wertvolle Basis zur schnellen, optimalen und verlässlichen Auslegung von Gaspermeationsprozessen.

Biogas which mainly consists of methane and carbon dioxide is generated by digesting organic wastes, energy crops, manure and sewage. It is mainly used in combined heat and power engines to generate electricity. However, significant amounts of heat are produced along with the electricity which often cannot be used. Thus, upgrading of biogas which is the separation of carbon dioxide from the methane rich gas is more efficient and the product gas can be injected in the natural gas grid. Conventional biogas upgrading techniques require significant amounts of energy, to regenerate solvents and adsorption materials or to supply low temperatures for cryogenic distillation. Gas permeation membranes are an interesting alternative to conventional gas separation technologies. Due to their moderate energy requirements, their simple and modular installation, gas permeation membranes are most favorable applied to biogas upgrading in the agricultural production. Gas permeation membranes are also permeable for the gas components to be rejected. In order to obtain high product gas purities and high product recoveries at the same time intelligent multistage gas permeation layouts are required. Due to the infinite number of possible process configurations generic process development most likely results in sub-optimal process designs. Therefore, a superstructure optimization model was used to identify the most promising membrane based process configuration including the optimal process conditions. In addition, the optimal membrane material was determined inherent Robesons upper bound characteristics. The optimal process layout was converted into a rigorous dynamic process simulation to investigate changes in the process conditions. A process control scheme was determined which maintains the product gas purity over a wide range of variations in the process conditions. The rigorous model of the hollow fiber gas permeation module was implemented in Aspen Custom Modeler and it accounts for non-ideal effects such as Joule-Thomson cooling, concentration polarisation, real gas behavior and pressure losses. Often membranes unfold their full potential when they are combined to conventional gas separation equipment. Hence, the performances of hybrid gas separation systems are compared to conventional biogas upgrading techniques. The simulation and optimization models developed within this work at hand are not limited to the application of biogas upgrading. An adaption to other gas separation application can easily be done. Thus, these models allow for a fast, optimal and reliable design of gas permeation processes and they build a valuable fundament for future work.

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