Membranmodul für den Einsatz in Rauchgas

Thema

Kapillarbündel im Schutzrohr.
Komplettes Kapillarbündel mit angefügten Anschlussrohr.
Sauerstoff-Permeation eines Kapillarbündels im Vergleich mit einem Membranrohr mit 10 mm Außendurchmesser.

Die Sauerstoff-Separation mit MIEC-Membranen (Mixed Ionic Electronic Conductor) benötigt eine hohe Prozesstemperatur von etwa 850°C. Entsprechende industrielle Abgasströme (z. B. Rauchgas) enthalten jedoch oft Komponenten, die mit dem Membranmaterial reagieren können. Auch das Material BSCF (Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-δ) mit der bislang höchsten Sauerstoff-Permeation wird unter CO2-Atmosphäre durch die Ausbildung von Carbonatschichten blockiert.

Der hier vorgestellte Lösungsansatz basiert auf der wärmetechnischen Integration von BSCF-Membranen in den Rauchgasstrom. Ein direkter Kontakt der BSCF-Membran mit dem Rauchgas wird dabei durch ein speziell entwickeltes keramisches Schutzrohr vermieden, das gleichzeitig als Wärmetauscher dient. Es realisiert entsprechend Bild 1 gleichzeitig eine einseitige Zu- und Abführung des erforderlichen Luftstroms. Um den verfügbaren Bauraum im Schutzrohr optimal auszunutzen, kommt im Innenraum ein 7-fach Kapillarbündel mit Anschlussrohr zum Einsatz (Bild 2). Dieses besitzt gegenüber einem Einkanalrohr mit 10 mm Durchmesser eine ca. dreimal höhere Oberfläche bei nahezu identischem Platzbedarf. Da außerdem auch die Wandstärke reduziert werden konnte, ist entsprechend Bild 2 bei geringer, vergleichbarer Triebkraft eine etwa 3 – 4-fach höhere Sauerstoff-Permeation zu beobachten.

Durch derartige „konstruktive“ Lösungsansätze können sensitive Membranmaterialien auch unter kritischen Einsatzbedingungen in industrielle Prozesse integriert werden, so dass die Nutzung der zur Verfügung stehenden Prozesswärme ermöglicht wird.