Druckgetriebene Sauerstoff-Permeation

Thema

Druckreaktor im Ofen.
Vergleich von Vakuum- und Druckmessung bei 900°C.
Vergleich von monolithischen und asymmetrischen Membranen im Überdruckbetrieb bei 900°C.

Die Sauerstoff-Permeation durch MIEC-Membranen (Mixed Ionic Electronic Conductor) wird durch die Wagner‘sche Gleichung beschrieben. Deren Höhe wird von der Temperatur und der Membrandicke bestimmt, vor allem aber durch die Triebkraft, also durch das logarithmische Verhältnis der an den Membranoberflächen anliegenden Sauerstoff-Partialdrücke.


Für die Gewinnung reinen Sauerstoffs muss ein von 1 abweichendes Verhältnis der Sauerstoff-Partialdrücke erzeugt werden, indem Vakuum auf der Permeatseite (Vakuumbetrieb) oder Luft mit Überdruck auf der Feedseite (Überdruckbetrieb) angelegt wird. Während im Vakuumbetrieb die Membran auf der Innenseite abgesaugt wird und dabei selbst als Druckhülle fungiert, ist beim Überdruckbetrieb ein äußerer Druckkessel erforderlich.


Zur Testung des Überdruckbetriebs wurde ein spezieller Messstand aufgebaut (Bild 1). Der Druckreaktor ist als Heißwandreaktor ausgeführt. Er besteht aus einem hochtemperaturfesten Stahl und kann bei Temperaturen bis zu 900 °C und bis 20 bar eingesetzt werden. Untersuchungen am BSCF-Stoffsystem zeigten entsprechend Bild 2 und 3, dass keramische Rohrmembranen problemlos auch bei den angegebenen maximalen Betriebsbedingungen eingesetzt werden können.


Allerdings muss beachtet werden, das für den Überdruckbetrieb entweder spezielle Reaktoren aus teuren Spezialstählen (Heißwandreaktoren) oder aber sehr große Reaktoren (Kaltwandreaktor) erforderlich sind. Für einen energetisch sinnvollen Betrieb einer technischen Anlage ist zudem die Rückgewinnung der Kompressionsenergie aus der Sauerstoff-abgereicherten Luft am Reaktoraustritt sinnvoll (z.B. über Mikroturbinen).


Bei vorhandenen Lecks steigt außerdem der Leck-Volumenstrom mit dem Druckunterschied linear an, während die weitere Zuname der Sauerstoff-Permeation abflacht. Beim konkurrierenden Vakuumbetrieb werden deshalb bei identischer Leckage deutlich höhere Sauerstoff-Gehalte im Produktgas erreicht.