What is gas permeation (GP)?
Gas permeation ist die Trennung von Gasen mittels Membranen
Wie funktioniert die Gas permeation?
Unterschiedliche Gase diffundieren unterschiedlich schnell durch eine dichte oder poröse Membran, abhängig von ihrer Löslichkeit und Diffusität
Was sind die Vorteile einer Gas Permeation konventionellen Verfahren?
Alternative zu Rektifikation, Absorption oder Adsorption
Membranmodule sind flexibel, platzsparend und mobil
niedriger Energieverbrauch
Welche Materialien werden für GP Membranen verwendet?
Hauptsächlich Polymere, aber auch anorganische Materialien
Polymere:
Glassy Polymers (T<Tg): Gute Trennung von permanenten Gasen
Rubbery Polymers (T>Tg): Geignet für kondensierbare Gase
Anorangische Membranen: Zeolithe, Keramik, Metalloxide
What is the separation mechanism for GP in dense membranes?
Trennmechanismus: Solution-Diffusion_model
Treibende Kraft: Partialdruckunterschiede der Gase
Die Gase lösen sich in der Membran, diffundieren durch sie und desorbieren auf der anderen Seite
What is the difference between permeability and permeance?
Permeabilität P: Materialspezifisch, unabhängig von Membrandicke
Permeanz Q: Membran und gasspezifisch, abhängig von der Dicke d Q=P/d
What is the Robeson plot and what is it useful for? What is the upper bound?
Robeson-Plot: Zeigt den Zusammenhang zwischen Permeabilität und Selektivität
Upper Bound: Empirische Grenze zwischen hoher Selektivität und hoher Permeabilität, die Materialentwicklung begrenzt
How is a polymer called above vs. below the glass transition temperature?
Unterhalb Tg: Glassy polymer – Diffusivität bestimmt die Selektivität.
Oberhalb Tg: Rubbery polymer – Löslichkeit bestimmt die Selektivität.
Why are rubbery polymers more permeable than glassy polymers?
Rubbery polymers (T > Tg): Größere freie Volumina → Höhere Gasdurchlässigkeit.
Glassy polymers (T < Tg): Dichteres Polymernetzwerk → Höhere Selektivität für permanente Gase.
Which polymer do you use for separating permanent gases? Name typical applications.
Glassy Polymers werden bevorzugt, da sie permanente Gase besser trennen.
Typische Anwendungen:
N₂/O₂-Trennung
CH₄/CO₂-Trennung
How do temperature and pressure influence the pure gas permeability?
Temperatur:
Höhere Temperatur → Höhere Permeabilität, aber niedrigere Selektivität.
Druck:
Höherer Druck → Membranquellung (Plastifizierung) → Erhöhte Permeabilität.
What module concepts are typically applied for GP processes? Why?
Spiral wound: Hohe Packungsdichte, niedrige Kosten.
Hollow fiber/capillary: Hohe spezifische Oberfläche, für große Volumenströme.
Cushion: Weniger verbreitet, hohe kosten
Looking at the separation of an ideal membrane separating a binary mixture: what parameters does the separation depend on?
Selektivität (α\alphaα)
Druckverhältnis (ϕ\phiϕ)
Konzentrationsunterschied zwischen Feed und Permeat
Can we achieve good separation with infinity pressure? Name the rule of thumb for optimized operation and explain the relationship between pressure ratio, selectivity, and mole fraction in the permeate.
Nein, unendlicher Druck verbessert nicht unendlich die Trennung.
Daumenregel: 90 % der maximalen Konzentration mit optimiertem Druckverhältnis erreichen.
Zusammenhang: Höheres Druckverhältnis (ϕ\phiϕ) erhöht Selektivität (α\alphaα).
Can we achieve any purity if the product is in the permeate? Explain your answer. And if the product is in the retentate?
Produkt im Permeat: Begrenzung durch α\alphaα und ϕ\phiϕ, daher oft mehrstufige Systeme nötig.
Produkt im Retentat: Jede Reinheit erreichbar, aber Produktverlust möglich.
What is a quasi-binary mixture?
Quasi-binäres Gemisch: Mischung mit dominierender Komponente und Spurenstoff.
Looking at N₂-enrichment, what component of the process dominates the investment costs?
Membrankosten dominieren, da große Membranfläche benötigt wird.
What membrane module is used in solvent recovery and why?
Rubbery Membranen, da sie kondensierbare Gase bevorzugt durchlassen.
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