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Membrane separation processes for argon plasma gas recovery = Membranprozesse zur Argon-Plasmagas-Rückgewinnung



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thomas Harlacher

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangVII, 101 S. : Ill., graph. Darst.


Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache


Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-07-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-48890
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229064/files/4889.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Membranverfahren (Genormte SW) ; Gaszerlegung (Genormte SW) ; Prozessentwicklung <Technik> (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Gastrennung (frei) ; gas permeation (frei) ; membrane process (frei) ; process design (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: AL43700

Kurzfassung
Bei der Nutzung eines thermischen Plasmareaktors zur kontinuierlichen Herstellung von Siliziumkarbid wird ein aus Argon und Wasserstoff bestehendes Gasgemisch als Plasmagas eingesetzt. Da bei der Keramiksynthese Kohlenstoffmonoxid als Nebenprodukt anfällt, ist eine Gasabtrennung notwendig, bevor das Plasmagas wiederverwendet werden kann. Die Nutzung eines membranbasierten Prozesses für diese Trennaufgabe wurde im Rahmen dieser Dissertation untersucht. Auf Basis einer experimentellen Charakterisierung der Trennleistung kommerzieller Polymermembranen hinsichtlich verschiedener Gasgemische wurde eine Prozess-Route bestehend aus einer Wassergas-Shift-Reaktion mit anschließender Gastrennung für eine weitere Prozessentwicklung ausgewählt. Ein Gaspermeationsmodell wurde mit Hilfe von experimentellen Daten validiert und für Prozesssimulationen verwendet. Der durch die Wassergas-Shift-Reaktion entstandene Wasserstoff und das Kohlenstoffdioxid sollen mittels Membranen abgetrennt werden. In einem zweistufigen Membranprozess ermöglichen der Einsatz verschiedener Membranmaterialien (Polyimid, PEO-basiertes Polyactive) und die Anpassung der Membranflächen in den beiden Stufen eine unabhängige Einstellung der Wasserstoff- und Kohlenstoffdioxidkonzentrationen im Produktstrom. Nach Ausgleich der bei der Gasaufbereitung auftretenden Argonverluste werden die für das Plasmagas vorgegeben Randbedingungen eingehalten. Zusätzlich zu den Membranprozessen wurden Hybridprozesse, bestehend aus einer konventionellen CO2-Abscheidung und einer Membraneinheit, untersucht. Bei der technisch-ökonomische Bewertung der verschiedenen Prozesse wiesen der zweistufige Membranprozess und ein aus chemischer Absorption und Membranstufe bestehender Hybridprozess die höchsten Potentiale auf. Da der Gasstrom nach der Wassergas-Shift-Reaktion wasserdampfgesättigt ist, wurde zusätzlich der Einfluss des Wasserdampfes auf die Membrantrennleistung untersucht. Hierzu wurde das Simulationsmodell erweitert und mit experimentellen Daten aus Messungen mit wasserdampfgesättigten Feedströmen validiert. Je nach Feeddruck wurde ein bis zu 50% erhöhter Membranflächenbedarf festgestellt, wohingegen die erzielbare Argonausbeute unverändert blieb.

A mixture of argon and hydrogen is used as plasma gas in a thermal plasma synthesis for the production of silicon carbide. Next to argon and hydrogen, the exhaust gas of the ceramic synthesis contains carbon monoxide. Since argon is an expensive gas, the plasma gas needs to be recycled. For this purpose, the carbon monoxide has to be removed from the exhaust gas. The applicability of a membrane based gas separation process for this separation task was investigated in this study. A process route combining a water-gas shift reaction with a subsequent gas separation was identified as the most promising route based on an experimental screening of commercial polymer membranes. Experimental data were also applied for the validation of a gas permeation model in a commercial equation-oriented modeling environment. This model was implemented in a commercial process simulations software. In the gas permeation unit the carbon dioxide and hydrogen resulting from the water gas shift have to be separated. In the two-stage membrane process the application of different membrane materials (polyimide, PEO based Polyactive) and the adaptation of the membrane areas in the two stages allow an independent adjustment of the hydrogen and carbon dioxide concentrations in the product stream. After compensating the argon losses caused by the gas treatment process, the recycled gas stream complies with the stream composition required for the plasma gas. Hybrid processes were investigated as an alternative to the membrane stand alone process. The techno-economic analysis of the different processes indicated the advantageousness of the membrane-stand-alone process and a hybrid process combining a chemical absorption and a membrane unit. The gas stream at the outlet of the water gas shift reactor is saturated with water. Therefore, the influence of water vapor on the membrane separation performance had to be investigated. The simulation model was extended and validated by experimental data for saturated feed gas streams. Depending on the feed pressure an up to 50% higher membrane area demand was determined, while the achievable argon recovery remained nearly unchanged.

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Interne Identnummern
RWTH-CONV-144040
Datensatz-ID: 229064

Beteiligte Länder
Germany

 GO


OpenAccess

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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mechanical Engineering (Fac.4)
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
416110

 Record created 2014-07-16, last modified 2022-04-22


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