Adsorptive gas dehydration with supported ionic liquids

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Andreas Jess
• Subject Area: Chemical and Thermal Process Engineering ; Technical Chemistry ; Technical Thermodynamics
• Term: from 2012 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 213570037

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Die ionische Flüssigkeit [EMIM][MeSO3] geträgert auf Silicagel stellt eine geeignete Kombination (Adsorbens) für Festbettanwendungen in der Gastrocknung dar. Die Struktur dieser geträgerten ionischen Flüssigkeit kann aus den Reinstoffdaten der Träger und der Dichte von [EMIM][MeSO3] ermittelt werden. Durch die Imprägnierung der Trägermaterialien mit der ionischen Flüssigkeit wird die Wasseraufnahmefähigkeit im Vergleich zum Träger stark erhöht (z.B. 6-fach für 𝜃 = 0,8 auf Silicagel 150). Ab einer IL-Monolage auf der Silica-Oberfläche ist nur noch die aufgebrachte Menge an IL ausschlaggebend für die Wassersorptionskapazität und die Isothermen der geträgerten ILs können aus der Isotherme für reines [EMIM][MeSO3] mit dem Guggenheim-Anderson-de Boer Modell berechnet werden. Die maximale Eingangskonzentration an Wasserdampf ist dann erreicht, wenn das Volumen der IL zusammen mit dem des absorbierten Wassers das Porenvolumen des Trägers überschreitet und sich (unerwünscht) in das Zwischenkornvolumen ausdehnt. Je nach Eingangspartialdruck an Wasserdampf ist daher eine passende Vorauswahl für den Träger und die IL-Beladung notwendig. Durch Adsorptions- bzw. Durchbruchsexperimente in einer Festbettanlage konnten die kinetischen Daten für die Simulation eines technischen Adsorbers gewonnen werden. Im Vergleich zu dem reinen Adsorbens Silicagel 60 (d.h. ohne IL) kann mit der geträgerten Probe bei einer IL-Beladung von 0,8 kgIL kgSi-1 in etwa die doppelte Menge an feuchtem Gas getrocknet werden, bevor eine Regeneration des Festbettes notwendig wird. Die Regeneration kann für [EMIM][MeSO 3] bei ca. 90 °C durchgeführt werden, da durch die starke Temperaturabhängigkeit des Sorptionsgleichgewichts bereits dann ein stark reduziertes Wassersorptionsvermögen der IL vorliegt. Die ionische Flüssigkeit [EMIM][MeSO3] geträgert auf Silicagel ist somit ein sehr vielversprechendes Adsorbens für Festbettanwendungen in der Gastrocknung, insbesondere wenn sehr niedrige Wassergehalte (Taupunkt < -80 °C) im Produktgas angestrebt werden. Grundsätzlich zeigen sich Trägermaterialien mit großem Porenvolumen aufgrund des hohen Fassungsvermögens an IL und dem damit stark verbesserten Wasseraufnahmevermögen bei ausreichender Stofftransport-Kinetik als vorteilhaft. Jedoch sind Silicagele mit Poren größer 6 nm in technisch relevanten Partikelgrößen (3 - 5 mm) kommerziell nicht weit verbreitet. Durch den hauptsächlichen Einsatz in der Chromatographie besitzt die Großzahl der Silicagele mit großen Porendurchmesser und -volumen kleine Partikelgrößen (< 0,5 mm). Das hohe Potential eines Gastrocknungsprozesses mit geträgerten ionischen Flüssigkeiten konnte bestätigt werden, die Anwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit muss für jeden spezifischen Anwendungsfall separat betrachtet werden.

Publications

• Determination of vapor pressure and thermal decomposition using thermogravimetrical analysis. Thermochimica Acta 622 (2015). 9-17
  Heym, F., Korth, W., Etzold, B. J. M., Kern, C., Jess, A.
  
• Evaporation and Decomposition Behavior of Pure and Supported Ionic Liquids under Thermal Stress. Chem. Ing. Tech. 87 (2015), 791-802
  Heym, F., Korth, W., Thiessen, J., Kern, C., Jess, A.
  
• Characterization of six hygroscopic ionic liquids with regard to their suitability for gas dehydration: density, viscosity, thermal and oxidative stability, vapor pressure, diffusion coefficient and activity coefficient of water. J. Chem. Eng. Data, 61 (2016), 1162-1176
  Krannich, M., Heym, F., Jess, A.
  
• Continuous Gas Dehydration Using the Hygroscopic Ionic Liquid [EMIM][MeSO3] as Promising Alternative Absorbent. Chem. Eng. Techn. 39 (2016), 343-353
  Krannich, M., Heym, F., Jess, A.
  
• Gas Drying using Supported Ionic Liquids. Chem. Eng. Transactions 69 (2018), 667-672
  Radakovitsch, F., Heym, F., Jess, A.
  
• Gas dehydration using the ionic liquid [EMIM][MeSO 3] supported on silica gel - structural and water vapor sorption properties. Chem. Eng. J. 124689
  Radakovitsch, F., Jess, A.