Purification of Hydrogen from Hydrogen-Hydrocarbon-Mixtures using Pressure Swing Adsorption

Wasserstoff spielt eine zentrale Rolle auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Zukunft und hat besonderes Potential als chemischer Energieträger im Rahmen der saisonalen Energiespeicherung. Wenn der Wasserstoff in unterirdischen Speichern, wie beispielsweise leergeförderten Erdgaslagerstätten, gelagert wird, verunreinigt sich dieser mit dem Polstergas, das im Rahmen dieser Masterarbeit durch Methan repräsentiert wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass allerdings auch kleine Mengen an Kohlenwasserstoffen wie Propan, aber auch andere Komponenten im Inneren des Reservoirs das Polstergas verunreinigen können. In dieser Arbeit wird die Aufreinigung von Wasserstoff aus Wasserstoff-Kohlen-wasserstoff-Gemischen mithilfe des PSA-Verfahrens untersucht und hierfür eine PSA-Laboranlage entwickelt und gebaut. Mit einem kleinen Adsorbervolumen von 38 cm3 können bereits mit geringen Mengen an Adsorbens Experimente durchgeführt werden. Eine Gasmischstrecke sorgt für die Flexibilität, unterschiedliche Gaszusammensetzungen bei verschiedenen Drücken im Erdgasspeicher zu simulieren. Die Gaszusammensetzung am Kolonnenaustritt wird mit einem ``Micro-GC'' analysiert. Die auf einer Grundfläche von etwa 0,5 m2 untergebrachte PSA-Anlage verfügt zudem über einen Kippmechanismus und eine Schnellkupplung, wodurch die Entnahme von benutztem Adsorbens zu Analysezwecken und die Befüllung mit frischem Adsorbens in nur wenigen Minuten bewerkstelligt werden kann. Um die Betriebsgrenzen des Adsorbens zu eruieren, wird eine Methode vorgeschlagen und eingesetzt, mit der die mechanische Stabilität der Aktivkohleprobe bei unterschiedlichen Belastungsarten untersucht wird. Adsorptionsexperimente wurden generell in vier repräsentativen ``Stages'' durchgeführt, wobei jede dieser Stages durch einen bestimmten Druck (25 bis 60 bar) und eine bestimmte Feedkonzentration ausgezeichnet wird. Für die Adsorption von Methan aus dem binären Gemisch CH4 - H2 wurden erfolgreich Durchbruchkurven aufgezeichnet, eine Adsorptionsisotherme bei 23 °C erstellt und durch das Langmuir-Isothermenmodell approximiert. Die Multikomponentenadsorption von Methan und Propan zeigt die starke Affinität von Propan zur Aktivkohle und untermalt die Schwierigkeiten, die bei Kleinstmengen an Verunreinigungen mit Kohlenwasserstoffen wie Propan auftreten können. Aus diesem Grund wurde während der Experimente ein Heiz-Mantel auf der Außenseite der Kolonne installiert, um die Desorption von Propan zu beschleunigen. Der signifikante Einfluss von Totzeiten und Totvolumina auf die asymptotische Entwicklung der Konzentrationsprofile, welche sich in nahezu allen Experimenten bemerkbar macht, wird ebenfalls sehr ausführlich in dieser Arbeit untersucht.