Neue nanoporöse Materialien mit optimierter Porenstruktur in der Olefin/ Paraffin-Trennung durch Adsorption: Experimentelle und modellbasierte Bewertung

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Hartmann; Professor Dr.-Ing. Malte Kaspereit
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 206052181

Im vorliegenden Projekt werden bekannte nanoporöse Materialien hinsichtlich ihrer Eignung zur industriellen adsorptiven Trennung von Olefin/Paraffin-Gemischen untersucht und bewertet. Dabei werden Adsorbentien mit solcher Porenstruktur betrachtet, die entweder kinetisch auf der Basis unterschiedlicher Diffusionskoeffizienten oder thermodynamisch auf Basis unterschiedlicher Adsorptionseigenschaften kurzkettige Olefine und Paraffine trennen. Den wenigen hierzu existierenden Untersuchungen ist gemein, dass die vorgeschlagenen Adsorbentien das Zielprodukt (Olefin) bevorzugt adsorbieren, wodurch Produkte mit hoher Reinheit nur mittels aufwändiger Prozesskonfigurationen herstellbar sind. Dies macht Adsorbentien mit umgekehrter Selektivität attraktiv, wie die in den vorherigen Förderperioden entdeckten ZIFs. Im Projekt werden daher unter anderem ZIFs (ZIF-3, -4, -6- 8) betrachtet, für die nicht nur eine bevorzugte Paraffin-Adsorption belegt wurde, sondern auch höhere Kapazitäten als für den oft vorgeschlagenen Zeolithen 13X vorhergesagt wurden. Eine weitere Möglichkeit bieten Adsorbentien mit einer kinetischen Selektivität für das Olefin, wie z.B. das Aluminophoshat SAPO-34 (CHA). Das Olefin ist in SAPO-34 diffusionsbegünstigt; andererseits ist es in polaren und kationenhaltigen porösen Materialien adsorptionsbegünstigt, was wiederum die Diffusion verlangsamt. Das Paraffin zeigt stärkere adsorptive Wechselwirkungen mit unpolaren und kationenfreien Molekularsieben. Diese Eigenschaften ermöglichen neue Prozessführungskonzepte von PSA-Verfahren, in denen durch Verwendung unterschiedlicher Adsorbentien entweder das Paraffin oder das Olefin stärker zurückgehalten wird. Die mit den Adsorbentien erreichbare Performance technischer Olefin/Paraffin-Trennungen wird im Projekt mittels geeigneter mathematischer Modelle für technische PSA- und VPSA-Prozesse untersucht. Die hierfür benötigten Modellparameter werden in einem neuen mehrstufigen Ansatz zur Parameterbestimmung und Maßstabsübertragung ermittelt. Hierfür werden grundlegende Sorptionsuntersuchungen mit isothermen und adiabaten Adsorptionsversuchen für Olefin/Paraffin-Gemische an Einzelsäulen ermittelt. Abschließend werden experimentelle Machbarkeitsnachweise mittels Druckwechseladsorptions-Experimenten im Labor- und Pilotmaßstab erbracht.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1570: Poröse Medien mit definierter Porenstruktur in der Verfahrenstechnik - Modellierung, Anwendungen, Synthese