Modellierung der Effizienz der Verwendung von Polymermembranen zur CO2-Abtrennung aus Erdgas für den Pipelinetransport

Erdgas gelangt aus verschiedenen Quellen und mit unterschiedlicher Zusammensetzung in die Pipeline. Obwohl Methan den größten Teil dieser Mischung ausmacht (75–90 %), enthält Erdgas auch erhebliche Konzentrationen von Ethan, Propan, Butan und anderen höheren Kohlenwasserstoffen (1–3 %) [1]. Einige Lagerstätten können komplexe Verunreinigungen wie CO2, H2S und CO enthalten, die eine Gefahr für die Umwelt darstellen und die Erdgasverarbeitung beeinträchtigen. Die gestiegene Nachfrage nach Pipelinegas hat in den letzten Jahren zu einem verstärkten Interesse an der Verarbeitung von Roherdgas geringer Qualität geführt. Um den Heizwert des Gases zu erhöhen, Korrosion an Rohrleitungen und Prozessanlagen zu verhindern und eine Kristallisation während des Verflüssigungsprozesses zu vermeiden, ist es notwendig, die CO2-Emissionen zu eliminieren [2]. Je nach Quelle kann der CO2-Anteil im Erdgas zwischen 4 und 50 % variieren. Erdgas muss vorbehandelt werden, um den Standard-CO2-Gehalt von 2 bis 5 % in Pipelines zu erreichen, bevor es transportiert werden kann [3]. Mehr als 5 % des produzierten Erdgases besteht aus Kohlendioxid. Es gibt viele Methoden zur Entfernung von CO2, wobei Umweltaspekte, Gaseigenschaften sowie Kapital- und Betriebskosten berücksichtigt werden müssen. Die wichtigsten Verfahren werden in folgende Kategorien eingeteilt: Absorptionsverfahren (physikalische und chemische Absorption). Feststoffadsorptionsverfahren. Mischlösung auf Basis physikalischer und chemischer Lösungsmittel. Physikalische Trennung (kryogene und Membrantrennung). Die Anwendung von Membranverfahren in der Erdgasaufbereitung ist am Markt erfolgreich. Unterschiede in den Diffusionsraten und/oder Adsorptionsraten von Gemischkomponenten in der Polymermatrix oder den Poren einer anorganischen Membran ermöglichen die Trennung von CO2 mithilfe herkömmlicher Polymer- oder anorganischer Membranen (wie Zeolith, Sol-Gel-Silica oder Kohlenstoffmolekularsieben). Das Gas muss sich auf der Hochdruckseite der Membran lösen, über die Membranwand diffundieren und auf der Niederdruckseite verdampfen, bevor es die Membranoberfläche durchdringen kann. Die Idee hinter der Gastrennung besteht darin, dass einige Gase in Polymermembranen löslicher sind und diese leichter passieren können als andere. Durch Anlegen eines Potentialgradienten, beispielsweise eines Druck-, Temperatur-, elektrischen Strom- oder Konzentrationsunterschieds, fungiert eine Membran, eine dünne Schicht aus semipermeablem Material, als selektive Barriere und trennt unerwünschte Partikel je nach Größe oder Affinität von der Ausgangslösung. Wenn eine Komponente des Gemisches die Membran schneller passiert als die andere, ist eine Trennung erreicht. Der Hauptvorteil der Membrantechnologie gegenüber herkömmlichen Trenn-, Reinigungs- und Formulierungsmethoden besteht darin, dass sie stabile Produkte ohne den Einsatz von Chemikalien erzeugt, sehr wenig Energie verbraucht und ein hohes Potenzial für die Umweltbelastung aufweist. Zu den weiteren Vorteilen zählen geringere Kapital- und Betriebskosten der Membrantechnologien, Umweltfreundlichkeit, Modularität und einfache Skalierbarkeit sowie ein gut konzipierter, kompakter und in Konzept und Betrieb einfacher Prozess. Membranen werden häufig anhand ihrer Materialien, Form, Antriebskraft und durchschnittlichen Porengröße klassifiziert. Einer der wichtigsten Aspekte der anfänglichen Differenzierung einer Membran ist ihre Porengröße. Die Umweltauswirkungen der Erdgasverarbeitung können kaum überschätzt werden. Obwohl Erdgas oft als sauberere Alternative zu anderen fossilen Brennstoffen angepriesen wird, kann das Vorhandensein von CO2 und anderen Verunreinigungen einige seiner Umweltvorteile zunichte machen. Durch die effektive Entfernung von CO2 verbessert die Membrantechnologie nicht nur die Qualität des Erdgases, sondern trägt auch zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen bei. Dies steht im Einklang mit den globalen Zielen für nachhaltige Entwicklung, die auf die Eindämmung des Klimawandels und die Förderung sauberer Energiequellen abzielen. Darüber hinaus benötigen Membranverfahren im Allgemeinen weniger Energie als herkömmliche Methoden wie Aminwäsche oder kryogene Trennung. Diese Reduzierung des Energieverbrauchs führt zu niedrigeren Betriebskosten und einem geringeren Kohlendioxidausstoß, was die Membrantechnologie zu einer nachhaltigeren Option für die Erdgasverarbeitung macht. Aus wirtschaftlicher Sicht kann der Einsatz der Membrantechnologie zu erheblichen Kosteneinsparungen führen. Herkömmliche Methoden zur CO2-Entfernung sind häufig mit hohen Investitionskosten und laufenden Betriebskosten verbunden, die mit dem Energie- und Chemikalienverbrauch verbunden sind. Im Gegensatz dazu sind Membransysteme tendenziell modularer und skalierbarer, sodass sie sich ohne größere Änderungen leichter in bestehende Anlagen integrieren lassen. Diese Flexibilität kann Betreiber dazu ermutigen, ihre Technologiekapazitäten zu verbessern und gleichzeitig Betriebsunterbrechungen zu minimieren. Darüber hinaus wird mit der steigenden Nachfrage nach sauberen Energiequellen wahrscheinlich auch der Regulierungsdruck zunehmen, was Investitionen in emissionsreduzierende Technologien erforderlich machen wird. Unternehmen, die fortschrittliche Membrantechnologien schneller einführen, können sich einen Wettbewerbsvorteil verschaffen, indem sie sich als Vorreiter im Umweltbereich positionieren und neue gesetzliche Anforderungen erfüllen.

Die Zukunft der CO2-Entfernung aus Erdgas mittels Membrantechnologie sieht vielversprechend aus. Ziel der aktuellen Forschung ist die Entwicklung von Membranen mit erhöhter Selektivität für CO2 gegenüber Methan und anderen Kohlenwasserstoffen sowie die Verbesserung ihrer Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Verschmutzung. Innovationen in der Nanotechnologie und Materialwissenschaft ebnen den Weg für Membranen der nächsten Generation, die Gastrennprozesse revolutionieren könnten. Darüber hinaus können durch die Integration der Membrantechnologie in andere Prozesse, wie etwa die Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff oder die Umwandlung in erneuerbare Energien, Synergien entstehen, die die Gesamteffizienz des Systems weiter verbessern. So kann beispielsweise die Kombination von Membrantrennung mit Verfahren auf Basis erneuerbarer Energien eine nachhaltige Lösung zur CO2-Entfernung bieten und gleichzeitig überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen nutzen.

Wir haben ein mathematisches Modell entwickelt, das vorhersagt, wie gut Polymermembranen bei der Trennung von CO2 und CH4 bei hohem Druck funktionieren. Das Modell basiert auf der Theorie der Lösungsdiffusion, die beschreibt, wie Gase durch Membranen dringen. Gemäß der Lösungsdiffusionstheorie sind mit der Bewegung von Gas durch eine Polymermembran zwei Hauptprozesse verbunden: Lösung: In der Polymermatrix lösen sich die Gasmoleküle zunächst auf. Dieser Schritt wird von der Löslichkeit des Gases im Polymer und der Art und Weise beeinflusst, wie die Gasmoleküle mit den Polymerketten interagieren. Diffusion: Nach der Auflösung bewegen sich die Gasmoleküle von der Polymermatrix mit hoher Konzentration zur Polymermatrix mit niedriger Konzentration. Dieser Prozess wird durch die Diffusionsregeln von Fick gesteuert, die erklären, wie sich Partikel von Bereichen höherer Konzentration zu Bereichen niedrigerer Konzentration bewegen. Die Lösungsdiffusionstheorie bietet einen umfassenden Rahmen zum Verständnis der Wechselwirkung von Gasen mit Polymermembranen während der Trennung. Forscher und Ingenieure können effizientere Systeme für verschiedene industrielle Anwendungen schaffen, indem sie Membranmaterialien und ihre Betriebsbedingungen mithilfe dieser Theorie optimieren, was letztendlich die Effizienz von Gastrenntechnologien verbessern wird. Die Eigenschaften von Polymeren spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung ihrer Löslichkeit und Diffusionsfähigkeit, die für Anwendungen wie die Gastrennung mit Polymermembranen erforderlich sind. Die chemische Struktur, einschließlich der Art der Monomere und funktionellen Gruppen, beeinflusst diese Eigenschaften erheblich. Beispielsweise neigen Polymere mit polaren funktionellen Gruppen aufgrund verstärkter Wechselwirkungen dazu, eine höhere Löslichkeit in polaren Gasen zu haben. Darüber hinaus wirken sich die physikalischen Eigenschaften von Polymeren, wie z. B. freies Volumen, Dichte und Kristallinität, direkt darauf aus, wie leicht Gase durch sie hindurch diffundieren können. Polymere mit hohem freien Volumen neigen dazu, höhere Diffusionsraten zu bieten und so einen effizienten Gastransport zu ermöglichen. Darüber hinaus beeinflusst die Glasübergangstemperatur (Tg) die Kettenbeweglichkeit; Wenn Tst überschritten wird, werden Polymere flexibler, was die Gasdurchlässigkeit weiter erhöht.

Zu den wichtigsten Gleichungen gehört die Strömungsgleichung (1):

Ji = Pi ⋅ (Pifeed-Material – Pipermeat), (1)

wobei Ji der Permeabilitätsfluss der Komponente in mol/m2 s ist; Pi – Permeabilitätskoeffizient der Komponente, Barrer; PiFeed-Material – Partialdruck der Komponente im Feed-Material, bar; Pipermeat ist der Partialdruck der Komponente i im Permeat in bar. Das Modell verwendete ein binäres Gasgemisch (CO2 und CH4). Wir führten Parameter ein, die die Permeabilität innerhalb des Betriebsbereichs unabhängig von Druck und Temperatur machten und sicherstellten, dass auf beiden Seiten der Membran keine Vermischung stattfand. Folgende Parameter müssen berücksichtigt werden: Membranselektivität: S = . Zufuhrbedingungen: Druck, Temperatur und CO2-Konzentration. Membraneigenschaften: Dicke, Fläche und Materialeigenschaften.

Unter Verwendung des Fickschen Diffusionsgesetzes kann der Gesamtmassentransfer wie folgt beschrieben werden (2):

 J = k ⋅ (PCO2 – PCH4), (2)

wobei k eine Konstante ist, die Permeabilität und Membranfläche kombiniert. Die im Modell verwendeten Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Das MATLAB-Modell enthält zusätzlichen Code für die Sensitivitätsanalyse, der den Zufuhrdruck variiert und den entsprechenden CO2-Fluss berechnet, sodass man sehen kann, wie sich der Fluss bei hohem Druck ändert.

Um die Genauigkeit zu testen, haben wir die Modellvorhersagen mit veröffentlichten experimentellen Daten verglichen. Hierzu war die Verwendung bereits veröffentlichter Daten zur CO2-Durchlässigkeit und Abscheideleistung unter vergleichbaren Umständen erforderlich. Unser Modell wurde mit einer bereits veröffentlichten Studie zu Seegas aus dem Jahr 2008 verglichen. In der Studie wurde die Leistung von Dünnschicht-Verbundmembranen aus einer Pebax®/PEG-Mischung bei der Trennung von CO2 aus Gasgemischen mit H2, N2 und CH4 untersucht. Die Membranen wurden unter verschiedenen Bedingungen getestet, die Abhängigkeit des Gasflusses und der Selektivität von Temperatur und Druck wurde untersucht. Vor dem Testen der Membranen wurde eines der aufgeführten Gase (CO2, H2, N2 und CH4) im Gasgemisch verwendet. Die Tests wurden bei einer Temperatur von 293 °K und einem hohen Druck von bis zu 20 bar durchgeführt. Diese Bedingungen wurden zum Vergleich mit Gasgemischmessungen gewählt. Die Ergebnisse werden zusammen mit den angegebenen Durchflussraten und der Permeatzusammensetzung auf der Konsole angezeigt. Diese Zusammensetzung entsteht häufig als Ergebnis von Gasreinigungs- oder -trennungsverfahren, bei denen Methan ein Nebenprodukt ist und CO2 das primäre Ziel der Abscheidung ist. Hohe CO₂-Mengen erfordern effiziente Trennmethoden, die für Prozesse wie die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung sowie die Biogasaufbereitung erforderlich sind. Die Simulationsergebnisse zeigen die Möglichkeit, hochreines CO2 für industrielle Anwendungen zu gewinnen (Abb. 1). Wenn der CO₂-Gehalt im Permeat 90,91 % und der CH₄-Gehalt (Methan) 9,09 % beträgt, weist dies darauf hin, dass das analysierte oder verarbeitete Gasgemisch im Vergleich zu Methan eine hohe Kohlendioxidkonzentration enthält.

Außerdem wird ein Diagramm des CO2-Flusses im Vergleich zum Versorgungsdruck angezeigt (Abb. 1).

In Abb. 2 ist der CO2-Fluss als Funktion des Speisedrucks dargestellt. Bei allen Proben (Pebax®-Membranen und Pebax®/PEG-Mischmembranen) stieg der CO2-Fluss mit zunehmendem Zufuhrdruck (Flüchtigkeit) von 5 auf 20 bar. Bei gummiartigen Polymeren ist der Löslichkeitskoeffizient der entscheidende Faktor, der stark von der Fähigkeit zur Kondensation des Gases abhängt, insbesondere bei starker Wechselwirkung zwischen der eindringenden Substanz und dem Polymer [4].

Wie aus Abb. 2 ersichtlich, verschiebt sich die Steigung der Linie mit steigendem PEG-Gehalt hin zu höheren Werten. PEG ist Polyethylenglykol (PEG), ein Polymer auf Ethylenoxidbasis, das aufgrund seiner hydrophilen Eigenschaften und auch aufgrund seiner chemischen Stabilität sowie seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber sehr hohen Temperaturen und Drücken ein guter Membranbildner ist. Daher zeigen Proben mit höherem PEG-Gehalt eine stärkere Druckabhängigkeit aufgrund der Plastifizierung. Die CO2-Sorptionsgrade hängen stark von der Segmentpackung ab und die Plastifizierung hängt mit der Segmentbeweglichkeit zusammen. Somit steigt der CO2-Fluss bei höherem Betriebsdruck und hohem PEG-Gehalt immer an. Darüber hinaus ist im erhaltenen Modell der CO2-Fluss bei höherem Druck höher. Sowohl in unserem Modell als auch in den experimentellen Daten konnten wir einen konsistenten Trend beobachten: Der CO2-Fluss nahm mit zunehmendem Druck zu. Dieser Zusammenhang lässt darauf schließen, dass höhere Druckbedingungen einen stärkeren CO2-Transport begünstigen. Die erhaltenen Ergebnisse stehen im Einklang mit etablierten Theorien zur Gasdurchlässigkeit, was die Gültigkeit unseres Modells bestätigt. Der Anstieg des CO₂-Flusses mit zunehmendem Druck zeigt, dass Druckschwankungen die Geschwindigkeit beeinflussen, mit der das System Kohlendioxid freisetzt oder absorbiert. Druckgradienten beeinflussen den Fluss von Gasen, einschließlich CO₂. Die Diffusion von CO₂ aus Bereichen mit höherer Konzentration in Bereiche mit niedrigerer Konzentration kann durch Erhöhung des Drucks verstärkt werden, was zu einem erhöhten Fluss führt. Die Effizienz der Trennung von CO2 von Methan oder anderen Gasen kann durch eine gezielte Druckerhöhung gesteigert werden. Betreiber können die CO2-Entfernungsrate maximieren, indem sie den Druck in Membranen oder Absorptionssystemen anpassen [5]. Darüber hinaus unterstreicht dieses Verhalten die Bedeutung des Drucks als kritischer Parameter für die Optimierung von CO2-Entfernungsprozessen. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse die Wirksamkeit unseres Ansatzes zur Berücksichtigung der Dynamik des CO2-Flusses bei Druckänderungen. Dieses Experiment bestätigt die Richtigkeit des Modells. Die Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig die Entwicklung ausgefeilter Methoden zur Schätzung der CO2-Emissionen und zur Verbesserung der Trenntechnologie ist. Die Ergebnisse des Simulationsmodells entsprechen den experimentellen und realen Bedingungen.

Dies unterstreicht auch die Notwendigkeit qualitativ hochwertiger Daten zur genauen Schätzung der regionalen und globalen CO2-Flüsse. Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, das anhaltende Problem der Treibhausgasemissionen anzugehen und sowohl die Überwachungs- als auch die Managementtaktiken zu verbessern.

In unserer Studie haben wir ein mathematisches Modell entwickelt, um die Leistung von Polymermembranen bei der Trennung von Kohlendioxid (CO2) von Methan (CH4) unter Hochdruckbedingungen vorherzusagen. Das Modell wurde durch Vergleich seiner Vorhersagen mit veröffentlichten experimentellen Daten validiert, wobei besonderes Augenmerk auf die Leistung von Dünnschicht-Verbundmembranen wie Pebax®/PEG-Mischungen bei der Trennung von CO2 aus Gasgemischen mit Wasserstoff (H2), Stickstoff (N2) und CH4 gelegt wurde. Im Validierungsprozess wurden Daten aus einer Studie aus dem Jahr 2008 analysiert, in der die Leistung dieser Membranen unter kontrollierten Bedingungen untersucht wurde. Die Experimente wurden bei einer Temperatur von 293 °K und Drücken bis zu 20 bar durchgeführt, was typische Betriebsszenarien in Gastrennprozessen sind. Unser Modell konnte die in diesen Experimenten beobachteten Durchflussraten und Selektivitätskoeffizienten erfolgreich vorhersagen und damit seine Robustheit und Genauigkeit unter Beweis stellen.

Eines der wichtigsten Ergebnisse unserer Modellierung ist die starke Korrelation zwischen Förderdruck und CO2-Fluss. Wie unsere Ergebnisse zeigen, führte eine Erhöhung des Speisedrucks von 5 auf 20 bar durchweg zu einem Anstieg des CO2-Verbrauchs. Dieser Trend steht im Einklang mit etablierten Theorien zur Gasdurchlässigkeit, die bestätigen, dass erhöhter Druck die Antriebskraft der Gasdiffusion durch die Membran verstärkt. Darüber hinaus zeigte unser Modell, dass die CO2-Konzentration im Permeat etwa 90,91 % erreichen könnte und die Methan-Konzentration 9,09 % betrug. Dies weist auf die hohe Effizienz des Trennprozesses hin. Diese Ergebnisse sind insbesondere für Anwendungen wie Kohlenstoffabscheidung und Biogasverarbeitung relevant, bei denen hochreines CO2 erforderlich ist. Das Modell demonstrierte auch den Einfluss der Polymerzusammensetzung auf die Trennleistung. Insbesondere stellten wir fest, dass Membranen mit höherem Polyethylenglykol (PEG)-Gehalt aufgrund des verstärkten Plastifizierungseffekts bei erhöhtem Druck eine erhöhte CO2-Durchlässigkeit aufwiesen. Diese Entdeckung legt nahe, dass die Optimierung von Membranmaterialien durch Anpassung ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften die Effizienz der Trennung deutlich steigern kann. Auf den in unserer Analyse enthaltenen Zeichnungen wird die Beziehung zwischen dem CO2-Fluss und dem Versorgungsdruck veranschaulicht, wie sich Druckänderungen auf die Dynamik der Gasübertragung auswirken. Unsere Ergebnisse zeigten, dass mit steigendem Druck die Übertragungsgeschwindigkeit von CO2 durch das Membransystem zunahm. Diese Beobachtung unterstreicht die Bedeutung des Drucks als kritischer Parameter für die Optimierung von Gastrennprozessen. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass sich die Steigung der CO2-Ströme bei Druckänderungen ändert, wenn sich die PEG-Konzentration ändert, was auf eine stärkere Auswirkung des Drucks auf die hohen PEG-Hektarflächen hindeutet. Dieses Verhalten lässt sich durch Änderungen der segmentalen Mobilität in der Polymermatrix erklären, die sich direkt auf die Gaslöslichkeit und die Diffusionsrate auswirken. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen gehen über die theoretische Prüfung hinaus. Sie liefern praktische Informationen für die industrielle Anwendung zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Wenn Betreiber verstehen, wie sich verschiedene Arbeitsparameter auf die Wirksamkeit der CO2-Abtrennung auswirken, können sie ihre Prozesse optimieren, um eine maximale CO2-Extraktion bei gleichzeitiger Minimierung der Methanverluste zu erreichen. Darüber hinaus unterstreichen unsere Studien die Notwendigkeit einer ständigen Verbesserung der Membrantechnologien. Die Fähigkeit, vorherzusagen, wie sich Änderungen in der Zusammensetzung der Rohstoffe oder in den Arbeitsbedingungen auf die Wirksamkeit der Trennung auswirken, kann die Grundlage für zukünftige Entwicklungen von Membranmaterialien und -konfigurationen bilden. Im Folgenden stellen wir fest, dass sich aus unserer Studie mehrere Bereiche für weitere Forschung ergeben. Die Untersuchung alternativer Polymerzusammensetzungen oder Hybridmaterialien kann zu einer Membran mit noch höherer Selektivität und Permeabilität für CO2 als für CH4 führen. Darüber hinaus kann die Untersuchung fortgeschrittener Modellierungsmethoden oder Ansätze des maschinellen Lernens unser Verständnis komplexer Gastransferphänomene in Polymermembranen verbessern. Die Integration von Echtzeit-Überwachungssystemen in unser Prognosemodell kann die dynamische Anpassung der Arbeitsparameter in Abhängigkeit von Schwankungen in der Zusammensetzung der Rohstoffe oder Druckänderungen erleichtern, was die Trennprozesse noch weiter optimiert.

Somit liefert unsere Studie eine zuverlässige mathematische Grundlage für die Vorhersage der Wirksamkeit der Trennung von CO2/CH4 unter Verwendung von Polymermembranen unter Hochdruckbedingungen. Ein erfolgreicher Test auf der Grundlage experimenteller Daten bestätigt die Zuverlässigkeit des Modells und unterstreicht seine potenzielle Anwendung bei der Lösung von Umweltproblemen im Zusammenhang mit Treibhausgasemissionen. Indem wir unser Verständnis der Dynamik der Gastrennung vertiefen, möchten wir einen wesentlichen Beitrag zu den Bemühungen leisten, nachhaltige Technologien zur Abscheidung und Nutzung von Kohlenstoff zu entwickeln.