Experimental and theoretical investigations on the cryogenic adsorption of light hydrocarbons in the temperature range of -80 °C und 0 °C

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Dieter Bathen
• Subject Area: Technical Thermodynamics ; Chemical and Thermal Process Engineering
• Term: from 2016 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 319276956

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projekts konnte ein umfassendes Verständnis des Temperatureinflusses auf die Adsorption kurzkettiger Kohlenwasserstoffe gewonnen werden. Hierzu wurden neben umfangreichen experimentellen Arbeiten zum Adsorptionsgleichgewicht und zur Adsorptionskinetik auch auf physikalischen Modellen basierende Simulationen durchgeführt. Die untersuchten Stoffsysteme umfassten die C1-C4-Alkane und Alkene an verschiedenen kohlenstoffhaltigen und zeolithischen Adsorbentien über einen weiten Temperatur- und Konzentrationsbereich. Die Adsorptionsgleichgewichte der Alkane und Alkene an den untersuchten Adsorbentien zeigen eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit. Dabei wird durch Absenken der Temperatur die Kapazität in unterschiedlichem Maße erhöht. Der Einfluss der Temperatur auf die Gleichgewichtskapazität wird im Bereich hoher Temperaturen und geringer Beladung maßgeblich durch die Stärke der Wechselwirkungen und im Bereich sehr tiefer Temperaturen und hoher Beladungen maßgeblich durch die Größe des Porenvolumens bestimmt. Dynamische Durchbruchskurvenversuche zeigen mit Absenken der Temperatur eine Erhöhung der Kapazität bei gleichzeitiger Verlangsamung der Kinetik. Die Erhöhung der Kapazität bei einer Temperaturabsenkung von 20 °C auf -80 °C überkompensiert bei allen Stoffsystemen die Verlangsamung der Kinetik. Eine Absenkung zu sehr tiefen Temperaturn (< -40 °C) führt vor allem bei der Adsorption von Molekülen mit geringer Adsorptionsenthalpie zu deutlich höheren Bettausnutzungsgraden. Die dynamische Simulation der experimentellen Durchbruchskurven zeigt, dass einfache Stofftransportmodelle wie das LDF-Modell im Bereich hoher Temperaturen gute Ergebnisse liefern, während im Bereich tiefer Temperaturen komplexere Diffusionsmodelle zur genauen Beschreibung notwendig sind. Der intrapartikuläre Diffusionsstrom in den untersuchten mikroporösen Adsorbentien wird durch die Diffusion in der sorbierten Phase dominiert. Im tiefen Temperaturbereich ist die Koadsorption des Trägergases zu berücksichtigen. Die Koadsorption des Trägergases Stickstoff nimmt signifikanten Einfluss auf die Adsorption von Methan an verschiedenen Adsorbentien. Die Beladung stärker adsorbierender Moleküle bleibt jedoch weitestgehend unverändert durch das Trägergas.

Publications

• Trace adsorption of ethane, propane and n-butane on zeolite 13X at low temperatures, Thermodynamics 2017, Edinburgh
  F. Birkmann
  
• Trace Adsorption of Ethane, Propane, and n-Butane on Microporous Activated Carbon and Zeolite 13X at Low Tempera tures, J. Chem. Eng. Data, 62 (2017) 9, S. 1973 - 1982
  Birkmann, Florian; Pasel, Christoph; Luckas, Michael & Bathen, Dieter
  
• Adsorption Thermodynamics and Kinetics of Light Hydrocarbons on Microporous Activated Carbon at Low Temperatures, Ind. Eng. Chem. Res. 57 (2018), S. 8023 – 8035
  Birkmann, Florian; Pasel, Christoph; Luckas, Michael & Bathen, Dieter
  
• Adsorption von Ethan an mikroporöser Aktivkohle bei tiefen Temperaturen, Jahrestagung der ProcessNet-Fachgruppe Adsorption 2018, Kiel
  S. Schmittmann
  
• Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Adsorption kurzkettiger Kohlenwasserstoffe bei tiefen Temperaturen, 2018
  F. Birkmann
  
• Influence of carrier gases on the adsorption of light hydrocarbons at temperatures between -80 and +20 °C, ECCE 2019, Florenz
  S. Schmittmann
  
• Trace Adsorption of Light Hydrocarbons at Low Temperatures – The Influence of Carrier Gas Coadsorption, Ind. Eng. Chem. Res. 58 (2019) 24, S. 10540-10549
  Schmittmann, Sonja; Pasel, Christoph; Luckas, Michael & Bathen, Dieter
  
• Adsorption leichter Kohlenwasserstoffe an mikroporösen Adsorbentien bei tiefen Temperaturen, ProcessNet Jahrestagung 2020, Aachen
  S. Schmittmann
  
• Adsorption of Light Alkanes and Alkenes on Activated Carbon and Zeolite 13X at Low Temperatures, J. Chem. Eng. Data, 65 (2020) 2, S. 706-716
  Schmittmann, Sonja; Pasel, Christoph; Luckas, Michael & Bathen, Dieter