Entwicklung und Charakterisierung von Zeolith/Edelstahl-Verbundmembranen für Stofftrennung und Reaktionsführung
Final Report Abstract
Es wurde eine Versuchsanlage für Permeationsmessungen bis 500°C konzipiert und in Betrieb genommen. Die dabei auftretenden Probleme einer gasdichten Abdichtung der untersuchten Membranen bis in diesen Temperaturbereich konnten erfolgreich gelöst werden. Hierbei wurde eine mechanische Abdichtung der Membran gegen einen Halter aus Edelstahl mit einer Kupferdichtung realisiert. Der Membran halter selbst wurde mit kommerziell erhältlichen Hochtemperaturdichtungen gegen die Versuchsanlage abgedichtet. Diese Konstruktion erwies sich bis 600°C als gasdicht, hat aber den Nachteil, dass eine Verringerung der Betriebstemperatur die Abdichtung undicht werden lässt. Die beschriebene Permeationsmessungen gasförmiger Xylole wurden mit dieser Versuchsanlage durchgeführt. Hierbei wurden sowohl reine Isomere als auch Isomerengemische mit und ohne Spülgas untersucht. Es zeigte sich, dass bei den Einzelgasmessungen für p-Xylol eine etwas höhere Permeanz ermittelt werden konnte als für m- und o-Xylol (um den Faktor 2). Dies konnte bei Isomergemischen allerdings nicht wiedergefunden werden. Hier waren vielmehr die Permeanzen aller Xylolisomere annähernd gleich. Eine mögliche Erklärung hierfür könnte in single file-Diffusion liegen, bei der die Permeation der langsamsten Komponente die Permeation aller Komponenten bestimmt. Neben diesen Untersuchungen wurde der Einfluss des Absolutwerts des Partialdrucks der Komponenten auf die Permeanz untersucht. Diese Untersuchungen zeigten, dass sich die Permeanz mit steigendem Partialdruck der diffundierenden Komponente erhöht. Es wurden Untersuchungen zur Kinetik der Isomerisierungsreaktionen von Xylol an H-ZSM-5 Katalysatoren durchgeführt: an Zeolithpulver und Membranen. Als Grundlage für diese Untersuchungen wurde das dreieckige Reaktionsschema aus der Literatur genutzt. Das lineare Schema, bei dem keine direkte Umsetzung von o-Xylol zu p-Xylol und andersherum erfolgen kann, sagte zu geringe Umsätze zwischen diesen beiden Komponenten vorher. Bei diesen Untersuchungen wurden für die Membranen höhere Reaktionsraten gefunden als für Pulver. Es ist unklar, ob dies auf einen Messfehler (unsichere Bestimmung der Katalysatormenge der Membranen) zurückzuführen oder ein signifikantes Ergebnis ist. Es wurde ein Algorithmus zum Teil basierend auf Vorarbeiten aus der Literatur implementiert, der die Xylolpermeation in Zeolith-Edelstahl-Kompositmembranen beschreiben kann. Er basiert auf einem Netzwerk unabhängiger Permeationswege in der Zeolithmembran und im Edelstahlsupport. Die Permeation durch den Support wird mit Hilfe des dusty gas-Modells dargestellt, während die Permeation durch die Zeolithmembran durch das Modell der Oberflächendiffusion beschrieben wird und parallel dazu in den Defektporen durch ein dusty gas- Modell. Die hierbei notwendige Zusammensetzung zwischen dem Edelstahlsupport und der Zeolithmembran wird unter der Annahme fehlender Stoffakkumulation an dieser Stelle iterativ bestimmt. Die Isomerisierungsreaktion wird als zusätzlicher Quellterm in der Beziehung zur Beschreibung der Permeation durch die Zeolithporen aufgenommen. Die Differentialgleichungen werden mit Hilfe eines Schießverfahrens gelöst. Als problematisch erwies sich an dieser Stelle die Realisierung eines stabilen numerischen Verfahrens zur Behandlung der Oberflächendiffusion. Insbesondere die Ermittlung der Parameter zur Bestimmung der Stefan-Maxwell Oberflächendiffusionskoeffizienten erweist sich als schwierig und konnte noch nicht abschließend realisiert werden. Hier ist noch weitere Arbeit durchzuführen. Diese wird in die geplante Veröffentlichung einfließen.
