Innovative Gasaufbereitung mit ionischen Flüssigkeiten

In TP 107 wurden grundlegende Untersuchungen zur Aufbereitung von Biogas mit ionischen Flüssigkeiten (IL) durchgeführt. Mit IL kann die CO₂-Abtrennung nach dem Prinzip der quasi-isothermen chemischen Gaswäsche realisiert werden.

Im Projekt wurde zunächst nach geeigneten IL gesucht. In Anlehnung an konventionelle Amine wurden exemplarisch einige auf primären, auf sekundären und auf terziären Aminverbindungen basierende IL getestet. Im Rahmen der Charakterisierung der Flüssigkeiten wurden u.a. die Absorptionskapazität von CO₂, die Absorptionsenthalpie und die Absorptionsrate von CO₂ experimentell ermittelt. Mit der ionischen Flüssigkeit [BDiMIM][Pro] konnte eine für das Verfahren geeignete IL identifiziert werden. Um die Viskosität der Waschflüssigkeit zu reduzieren, wurde [BDiMIM][Pro] in Mischungen mit [BDiMIM][BTA] eingesetzt.

Ein zweiter Schwerpunkt des Projekts lag auf den experimentellen Untersuchungen zur Hydrodynamik und zum Stoffübergang von CO₂ in viskosen und gut-netzenden Flüssigkeiten. Kenntnisse über die Stoffübergangskinetik sind Voraussetzung für die Auslegung von Packungskolonnen. Da gängige Auslegungsgrundlagen überwiegend für wässrige Medien gültig sind, können diese nicht ohne weiteres für ionische Flüssigkeiten angewendet werden. Im Projekt wurde daher eine Apparatur aufgebaut, welche experimentelle Untersuchungen zum dynamischen Flüssigkeitsanteil h_L,dyn und zum Tropfenanteil in einer Füllkörper-Packung F_D sowie zum flüssigseitigen volumetrischen Stoffübergangskoeffizienten β_La_e erlaubt.

Die im Projekt ermittelten experimentellen Ergebnisse bildeten die Basis für die Modellierung des Stofftransports im Reaktor. Ein bestehender Literaturansatz wurde im Projekt adaptiert um bessere Vorhersagen für das interessierende Gebiet von Stoffeigenschaften zu erzielen. Dabei gelang es ein Modell zu entwickeln, welches in der Lage ist, den Stoffübergang von viskosen und gut-netzenden Flüssigkeiten für die verwendeten Packungen vorherzusagen.

Neben den experimentellen Untersuchungen zur IL-Charakterisierung und zur Ermittlung der Stoffübergangsleistung wurde im Rahmen von Mini-Plant-Versuchen die generelle Machbarkeit des Verfahrens überprüft. Dazu wurden kontinuierliche Versuche zur Trennung von CO₂/CH₄-Gemischen durchgeführt. Auf der Grundlage der Versuchsergebnisse konnte nachgewiesen werden, dass sich das Verfahrenskonzept grundsätzlich eignet um Biogas aufzubereiten und einspeisekonformes Biogas (y_CO2 < 5 Vol.-%) zu erzeugen. Für das untersuchte Verfahrenskonzept ergibt sich ein energetisches Einsparpotenzial von ca. 50 % im Vergleich zur Biogasaufbereitung nach dem Stand der Technik.