Process design and optimization for recovery of biohydrogen

Ohs, Burkhard Eike Ludger; Bathen, Dieter; Wessling, Matthias

doi:10.18154/RWTH-2021-03716

Process design and optimization for recovery of biohydrogen = Prozessentwicklung und -optimierung der Biowasserstoffaufbereitung

Ohs, Burkhard Eike Ludger^RWTH*

2020 & 2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Burkhard Eike Ludger Ohs

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2020

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Bathen, Dieter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-09-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-03716
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/817133/files/817133.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
biohydrogen (frei) ; separation (frei) ; adsorption (frei) ; membrane gas separation (frei) ; process optimization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
H2 gilt als ein vielversprechender Energieträger und ist ein wichtiger Rohstoff für die chemische Industrie. Aktuell wird H2 überwiegend mittels Dampfreformierung aus begrenzten fossilen Energieträgern gewonnen, wobei große Mengen CO2 emitiert werden. Daher werden zahlreiche alternative Produktionsvarianten untersucht. H2 kann fermentativaus Abfallströme produziert werden, wodurch die Abfallverwertung zur Energiegewinnung genutzt wird. Hierbei fallen jedoch auch weitere Nebenprodukte, wie z. B. CO2, an. Diese müssen für die Nutzung des Wasserstoffs aufwendig abgetrennt werden. Die Trennung der weiteren Gaskomponenten stellt dabei einen wesentlicher Kostentreiber dar. Bisher wurden mögliche Abtrennprozesse jedoch nur unzureichend betrachtet. Daher werden in dieser Doktorarbeit verschieden Trennprozesse unter technischen und ökonomischen Gesichtspunkten verglichen. Membranprozesse sind für die Biowasserstoffaufbereitung sehr energieeffizient, können jedoch nur eine begrenzte Produktreinheit erzielen. Mittels Druckwechseladsorptionsprozessen kann zwar hochreiner H2 gewonnen werden, die erzielbare Ausbeute beider Bulktrennung ist aber limitiert. Hybride Membran-Adsorptionsprozesse kombinieren die Vorteile beider Technologien. Jedoch ist die Entwicklung solcher Prozesse aufgrund der Vielzahl an Verschaltungsvarianten sehr aufwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher ein Optimierungsmodell für den hybriden Gastrennprozess entwickelt. Neben der Optimierung des Gesamtprozesses ist eine Effizienzsteigerung von Adsorptionsprozessen mittels sogenannter Hohlfaseradsorber möglich. Diese zeichnen sich im Vergleich zu konventionellen Adsorptionsbetten durch einen besseren Stofftransport, einem geringen Druckverlust und definierten Strömungsbedingungen aus. In dieser Arbeit wurden mit einem Optimierungsmodell nicht nur optimale Prozessparameter sondern auch Geometrien der Hohlfaseradsorber identifiziert. Darüber hinaus ist der Wasserstoffstrom häufig durch inerte Komponenten, z. B. N2,verdünnt. Dadurch ist eine Kompression des Feedgases oftmals unwirtschaftlich. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein Prozess aus einer elektrochemischen Wasserstofftrennung und einer Temperaturwechseladsorption für die Trennung von CO2 und N2untersucht. Der aufgereinigte N2, der häufig für die Begasung bei der fermentativenH2-Produktion eingesetzt wird, kann somit recycelt werden. Amine-funktionalisierte Adsorbentien eignen sich besonders für die CO2-Abtrennung bei niedrigen Partialdrücken. Die CO2-Adsorptionskinetik dieser Materialien wurde bisher jedoch nur unzureichend beschrieben, wodurch eine detaillierte Prozessanalyse unmöglich ist. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Kinetikmodell für die CO2-Adsorption entwickelt. Abschließend wurden die verschiedenen Trennprozesse miteinander verglichen. Der Vergleich zeigt, dass die Kosten für die Aufreinigung des Wasserstoffes bei Verdünnung vierfach höher sind. Es ist also notwendig, Biowasserstoffprozesse zu entwickeln bei denen der H2 in möglichst hoher Konzentration vorliegt. Mit den vorgestellten Prozessstudien ist es nun möglich, die H2-Produktion ganzheitlich zu betrachten.

H2 is regarded as a promising energy carrier and serves as an important raw material for the chemical industry. Up to now, H2 is mainly produced by steam reforming of fossil resources. Besides their limited availability, tremendous CO2 emissions are associated therewith. This demands for alternative production routes. For example, H2 can be produced by fermentation processes using waste streams, which combines waste treatment with energy production. However, H2 streams from biogenic origin also contain other by-products, e.g. CO2, which must be removed before utilization. The separation of the gaseous by-products is a major cost driver for the H2 production, but possible separation processes have only been analyzed insufficiently. In comparison to the conventionalH2 production, the feed for the gas treatment is present at ambient conditions and thus needs particular attention. Therefore, different separation processes were compared under technical and economic aspects. Membrane-based processes are attractive for biohydrogen upgrading due to their high energy efficiency. They can reach high recoveries, but only a limited purity. In comparison, pressure swing adsorption (PSA) allow producing highly pure H2 but suffer from low recoveries for bulk separation. Luckily, hybrid membrane-PSA processes allow combining both their advantages. However, the development of hybrid processes is very challenging due to the infinite number of process variants. Thus, an optimization framework for hybrid membrane-PSA separation is presented, which can identify optimal process designs with relatively little effort. In addition to optimizing the overall process, it is also possible to increase the efficiency of adsorption processes using hollow fiber adsorbents. Compared to conventional adsorption beds, they are characterized by a reduced mass transfer, a low pressure loss and defined flow conditions. In this work, an optimization model for hollow fiber adsorbers not only identified the optimal process but also the design of the hollow fiber itself. Furthermore, the H2 stream is often diluted by inert components, e.g. by N2 for sparging of the fermentation. For diluted H2 streams, compression of the feed gas is usually uneconomical. Thus, in the second part of the thesis, a process consisting of an electrochemicalH2 separation and temperature swing adsorption for the separation of N2and CO2 is presented. The purified N2 can then be recycled for sparging. Aminefunctionalizedsorbents are particularly suitable for the separation of the co-producedCO2, which is present at low partial pressures. Yet, the adsorption kinetics for CO2 for these materials have not been adequately described. This makes a detailed process analysis difficult. Therefore, a kinetics model for CO2 adsorption was developed. Finally, this work shows the influence of the H2 fraction on the separation costs. The costs of the separation of diluted H2 streams are more than four times higher than for high-concentrated H2 streams. Thus, it is crucial that the biohydrogen production processes target designs with high H2 fractions. With this thesis at hand, overall process analysis of the biogenic H2 production is possible.

OpenAccess:
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