Modellierung des Material- und Bauteilverhaltens sauerstoffleitender Membranen

Thema

Funktionsweise einer tubularen, keramischen sauerstoffleitenden Membran
Funktionsweise einer tubularen, keramischen sauerstoffleitenden Membran
Sauerstoffpermeation
Sauerstoffpermeation (links) und O2-Partialdruck entlang einer tubularen sauerstoffleitenden Membran aus Sr0,5Ca0,5Mn0,9Fe0,1O3-δ

Die Sauerstoffseparation durch keramische Membranen im Hochtemperaturbereich stellt eine Schlüsseltechnologie bei der Realisierung CO2 emissionsfreier, fossil befeuerter Kraftwerke dar. Weiterhin sind eine Vielzahl technischer Anwendungen für reinen Sauerstoff durch sauerstoffleitende Membranen denkbar.

Unter Verwendung der Finite Elemente Methode (FEM) wird der Stoff- und Energietransport in O2 -permeablen Membranen im Sweep / Feedgas oder im Vakuumbetrieb simuliert. Dabei wird das Multiphysics-Problem unter Einbeziehung von strömungsmechanischen Aspekten, Prozessen der Wärme- und Stoffübertragung sowie spezifischer Materialbesonderheiten voll gekoppelt berechnet. Es können planare oder tubulare Membrangeometrien simuliert werden.

Grundlage für die durchgeführten Berechnungen ist eine umfassende experimentelle Materialcharakterisierung. So fließen in die Simulationen die Sauerstoffdefektbildung (δ in ABO3-δ), T und pO2 -sensible Materialkennwerte und thermische Effekte aus Gas-Feststoff-Reaktionen ein. Weiterhin wird ein auf experimentellen Daten beruhendes Modell zur Bestimmung der O2 -Permeation in die Simulationen integriert. Die pO2 Verhältnisse und die O2 - Permeation entlang der Membran können so wirklichkeitsnah abgebildet werden.

Ausgehend von den berechneten T, pO2 und δ-Verteilungen an bzw. in der Membran können chemisch und thermisch induzierte Dehnungen in der Membran berechnet werden. Die Überführung der Dehnungsanteile in Spannungen wird unter Verwendung von experimentell bestimmten mechanischen Eigenschaften durchgeführt.

Mit der FEM können Einflüsse aus variierenden Strömungsverhältnissen, Temperaturen und anderen materialspezifischen Parametern simuliert werden. Optimale Einsatzbedingungen für sauerstoffpermeable Membranen werden detektiert. Die verfahrenstechnische Auslegung von Modulen zur Sauerstoffseparation aber auch grundsätzliche Fragestellungen zum Material und Bauteilverhalten sauerstoffleitender Membranen können beurteilt werden.