Tieftemperaturmembranprozesse zur Stickstoffentfernung und Heliumgewinnung aus Erdgas

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Wessling
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258012131

Gaspermeationsmembranen werden seit den 1980er Jahren erfolgreich in industriellen Prozessen verwendet, um Wasserstoff von Kohlenstoffmonoxid zu trennen und um nicht umgesetzten Wasserstoff beim Haber-Bosch Verfahren zurückzugewinnen. Diese ersten Applikationen führten zu einer schnellen Verbreitung von Gaspermeationsprozessen in der Gasaufbereitung und der chemischen Industrie, wobei die membran-basierte Erdgasaufbereitung die größte Anwendung für Gaspermeationsmembranen ist. Die gesamte Datenbasis und das Prozessverständnis für Gaspermeationsprozesse wurden bei Umgebungstemperatur sowie erhöhten Temperaturen generiert. Untersuchungen zur Gaspermeation bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur wurden nahezu nicht durchgeführt. Für die Stickstoffentfernung und die Heliumgewinnung aus Erdgas zeigen gerade Permeationsverfahren bei niedrigen Temperaturen enormes Potential. Derzeit werden Stickstoff und Helium von methanreichen Erdgas durch Destillation bei tiefen Temperaturen (kryogene Trennung) getrennt. Dies erfordert hohe Kühlleistungen und große Apparatedimensionen. Eine intelligente Verschaltung von Gaspermeationsmembranen und kryogenen Trennapparaten in hybriden Separationsprozessen führt zu drastischen Prozessverbesserungen. Unsere Studien zeigen eine deutliche Reduzierung des Energiebedarfs und der Apparatedimensionen für einen ersten, simplen Hybridprozess. Für gewöhnlich besitzen Gaspermeationsmembranen bei Umgebungstemperatur nur geringen CH4/N2 Selektivitäten. Durch den Betrieb der Membran bei tiefen Temperaturen wird die CH4/N2 Selektivität signifikant erhöht, wobei die Permeationsrate sinkt. Die Kühlung des Gases vor der Membranstufe wird durch geschickte Wärmeintegration erreicht, um den Energiebedarf des Verfahrens zu verringern. Des Weiteren wird die Permeation eines Gases durch die Membran von einer Abkühlung des Gases begleitet (Joule-Thomson Effekt), was die Energieeffizienz des Verfahrens weiter erhöht. Ziel dieses Projektes ist ein neues hybrid Verfahren zur Trennung von Stickstoff und zur Gewinnung von Helium aus Erdgas zu identifizieren und zu optimieren. Ein solches Verfahren würde neue Erdgasquellen erschließen, die durch konventionelle Gasseparation ungenutzt blieben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen