Nafion Feuchteaustausch

(lesen Sie auch: Befeuchtung von Gasen)

Trocknung von Gasen

Viele Analysenverfahren verlangen eine Trocknung der Messgase

  • um Geräteschäden durch Kondensation zu vermeiden (Spitzentrocknung),
  • um Querempfindlichkeiten zu reduzieren (Tieftrocknung).

Perma Pure Messgastrockner verwenden Nafion®-Rohre, um Gasströme kontinuierlich und selektiv auf Taupunkte bis -20°C zu trocknen.

Klassische Messgastrockner wie zum Beispiel Kondensatkühler oder Adsorptionstrockner verändern oft die Messgaszusammensetzung, indem die Messkomponente teilweise vom Kondensat ausgewaschen wird oder am Adsorbenz abgeschieden wird. Zudem trocknen Kondensatkühler nur auf taupunkttemperaturen bis 3 °C.

PermaPure ermöglicht die Trocknung von Messgasen ohne Kondensieren. Dabei wird nur Wassserdampf aus dem Medium entfernt. Dies bedeutet kein Verlust an auswaschbaren (wasserlöslichen) Komponenten wie HCl, Cl2, H2S, HF, F2, SO2, NO2

 

Aufbau einer Messgastrocknung mittels Perma Pure® Trocknern

 

Bei der Gastrocknung mittels PermaPure® wird Wasser von einem gasförmigen Medium (i.d.R. Messgas) auf ein anderes gasförmiges Medium (i.d.R. Trocknungs- oder Spülgas) übertragen. Beide Medien werden dabei durch die für Wasserdampf - nicht jedoch für die meisten anderen Gase - durchlässige Nafion®-Membran getrennt. Insofern handelt es sich bei den Perma-Pure-Trocknern im engeren Wortsinne weniger um einen "Trockner", denn um einen Feuchtetauscher, wobei das funktionierende Trocknungssystem neben dem Feuchtetauscher zusätzlich den Trocknungsgasfluss erfordert. Auch hierin zeigt sich die Analogie zum Wärmetauscher, anhand dessen sich Wirkungsweise und parametrische Abhängigkeiten des Trocknungsvorganges am einfachsten nachvollziehen lassen.

Wie der Wärmetransport einen Temperaturgradienten, so setzt der Stofftransport über die Nafion®-Membran einen Wasserdampfpartialdruckgradienten zwischen beiden Medien voraus. Um überhaupt trocknen zu können, muss also ein Gas mit niedrigerem Wasserdampfpartialdruck PH2O als Spülgas angeboten werden. Dieser Wert ist umso niedriger, je niedriger der Wasserdampfgehalt bzw. je niedriger der Gesamtdruck ist. Man muss also nicht notwendigerweise mit einem trockenen Gas trocken, man kann auch bei gleichem Feuchtegehalt den Druck reduzieren.

Mit der auszutauschenden Menge wird eine größere Austauschfläche benötigt und man geht vom Doppelrohr auf Rohrbündelsystem über. Analog führt man PermaPure® Trockner für kleine Durchflüsse als Doppelrohrfeuchtetauscher (Typenreihe MD,) aus, erhöht mit zunehmendem Gasfluss zunächst den Durchmesser des Nafion-Schlauches bzw. der Länge und damit automatisch auch die für die Stoffübertragung zur Verfügung stehende Membranfläche und geht bei noch größere Gasflüsse letztlich auf Rohrbündelfeuchtetauscher (Typenreihe PD bzw. FC) über.

Mit einem nackten Nafion®-Rohr kann man gegen Umgebungsluft trocknen, erreicht damit aber nur die Feuchte der Umgebung. Insofern eignet sich dieses Verfahrensweise vorwiegend für die Spitzentrocknung zur Vermeidung von Kondensation. Der große Vorteil dieser Anwendungsechnik liegt darin, dass eben kein Spülgas benötigt wird.

Die Endfeuchte des Messgases ist kein konstanter Wert, sondern hängt neben dem verwendeten Trockner-Modell von der Eingangsfeuchte des Messgases, von der Restfeuchte des Trocknungsgases am Eintritt in den Trockner und vom Verhältnis der beiden Gasflüsse ab. Der Spülgasfluss muss mindestens so groß gewählt werden, dass er die vom Messgas abgegebene Feuchte auch aufnehmen Als Anhaltswert gilt bei vergleichbaren Drücken für den Spülgasfluss das Doppelte des Messgasflusses.

Darüberhinaus gibt es bei PermaPure® Trocknungssystem noch weitere Dinge zu beachten:

  • An der Nafion®-Membrane muss Kondensation von Wasser ausgeschlossen sein, da in diesem Fall der Wassertransport zum Erliegen kommt. Ggf muss man durch Temperaturerhöhung gegensteuern (siehe unten)
  • Der Druck im Inneren der Nafion®-Rohre darf nur unwesentlich niedriger sein als in der Umgebung. Nafion®-Rohre verlieren mit zunehmender Feuchte an Steifigkeit und kollabieren unter dem äußeren Druck.

 

Chemismus des Wassertransportes durch die Nafion® Membran  

Die Trocknung mit einer Nafion® Membrane beruht auf einem wasserspezifischen chemischen Prozess. Nafion® ist ein Kopolymer aus Perfluoro-3,6-dioxa-4-methyl-7-octen-sulfonsäure und Tetrafluorethylen.

Nafion® absorbiert spontan Wasser aus der gasförmigen Phase. Jede Sulfonsäuregruppe umgibt sich mit maximal 13 Wassermolekülen. Die Sulfonsäuregruppen bilden innerhalb des Polymers Ionenkanäle, durch die Wassermoleküle transportiert werden können.

Wenn Wasser eine an der Außenseite der Nafion®-Membran befindliche Sulfonsäuregruppe berührt, wird es momentan von der Gruppe gebunden. Weitere Sulfonsäuregruppen, die sich im Inneren der Wand befinden, haben jetzt, da sie noch kein Wasser gebunden haben, eine höhere Affinität zum Wasser. Das Wasser wird konsequenterweise durch die Ionenkanäle transportiert, bis die andere Wandungsseite erreicht und die Nafion®-Wand gesättigt ist. Dieser Transport erfolgt schnell. Befindet sich in der Umgebung der Nafion®-Wand eine geringere Wasserkonzentration als in der Nafion®-Membrane, dann "verdampft" das Wasser wieder in die Atmosphäre und zwar so lange, bis der Konzentrationsunterschied der Atmosphären zwischen beiden Wandseiten abgebaut ist. Der Wassertransport erfolgt immer in die Richtung des geringeren Wasserdampfpartialdruckes.

Für die kontinierliche Trocknung von Gasen wird das Nafion® als Rohr extrudiert. Ein Nafion®-Rohr oder ein Bündel von Nafion®-Rohren ist von einem Gehäuse umgeben und kann so mit einem Trockengas im Gegenstrom beströmt werden. Dadurch wird kontinuierlich ein Wasser - Partialdruckgefälle aufrecht erhalten.

 

Temperatur- und Druckeinflüsse, Werkstoffeigenschaften

Nafion® ist stabil bis zu einer Temperatur von 160°C, jedoch setzt das Gehäusematerial und der Kopf eines Rohrbündels niedrigere Grenzen. Eine Gastemperatur von 150 °C darf auch bei Verwendung von PTFE oder Edelstahlgehäusen nicht überschritten werden.

Die Menge des Restwassers in der Nafion®-Wand ist sehr temperaturabhängig. Bei höherer Temperatur wird das Wasser von der Wandung stärker zurückgehalten als bei niedrigerer und kann demzufolge nicht an das Trockengas abgegeben werden. Die Wasserkonzentration im Inneren der Nafion®-Wand korrespondiert zu der Wasserkonzentration in der Atmosphäre außerhalb des Nafions®. Erreicht nun der Wasserkonzentrationwert im feuchten Probengas den Wasserkonzentrationswert in der Nafion®-Wand, dann stagniert die Trocknung. Die verbleibende Konzentration an Wasser im Nafion® bei der entsprechenden Betriebstemperatur stellt somit eine theoretische Grenze dar, wie weit ein Probengas prinzipiell nur getrocknet werden kann. In der Praxis stellt es sich als schwierig heraus, diese Grenztaupunkte auch zu erreichen. Taupunkte unter -20°C sind bereis schwer zu realisieren.

Bei Raumtemperatur (20°C) entspricht das im Nafion® verbleibende Restwasser theoretisch einem Wassertaupunkt im Gas von -45 °C. Das bedeutet, dass bei Raumtemperatur der Taupunkt maximal auf -45 °C reduziert werden kann. Bei höherer Temperatur findet annähernd eine Parallelverschiebung des minimalen Taupunkts statt, dh. eine Trocknertemperatur von 60 °C korrespondiert mit einem minimalen Taupunkt von -5 °C.

Die Konzeption einer Trocknung mit Nafion® wird mit zwei gegensätzlichen Forderungen konfrontiert:

  1. ausreichend hohe Temperaturen, um Kondensation durch Taupunktunterschreitung zu verhindern

  2. möglichst niedrige Temperaturen, um eine tiefe Trocknung zu erreichen.

Diesem Dilemma entzieht man sich, indem der Trockner so betrieben wird, dass sich über die Länge des Trockners ein Temperaturgradient ergibt - am Eingang warm genug, um Kondensation zu vermieden, - am Ausgang kühl genug, um tief trocknen zu können.  Theoretisch optimal wäre eine Konfiguration, bei der an jeder Stelle des Trockners die Temperatur knapp über dem Taupunkt des Probengases liegt.

Der Druck beeinflusst die Trocknung nur insofern, als er die Wasserdampf-Partialdrücke verändert. Der Berstdruck des Nafion®-Rohrs liegt mit 13 bar weitaus höher als der maximale Betriebsdruck abhängig vom Trocknertyp von ca. 3 - 10 bar (absolut).

Nafion® ist extrem korrosionsfest. Bei den Anwendungstemperaturen und in der Gasphase gibt es kaum bekannte Substanzen, die Nafion® angreifen. Begrenzt wird die Anwendung durch die Werkstoffe des Trocknergehäuses (Edelstahl, PTFE, PVDF oder Polypropylen) und der Dichtungen (Fluorkautschuk FPM).

 

Die Selektivität der Trocknung

Die einzigen bekannten Komponenten, die auch durch die Nafion®-Membrane transportiert werden, sind solche mit einer Hydroxylgruppe. Da die meisten anorganischen Hydroxide nicht in der Gasphase vorkommen (es sei denn als Aerosole) beschränkt sich diese Komponentengruppe im wesentlichen auf:

  • Wasser
  • Ammoniak
  • Alkohole

Zusätzlich können organische Komponenten, die hydratisieren oder durch die saure Katalyse des Nafions® (Nafion® ist eine starke Säure) sich in Alkohole oder Enole umwandeln (Aldehyde, Ketone) ebenfalls durch das Nafion® transportiert werden. Obwohl Nafion® nicht nur Wasser transportiert, ist die Selektivität der Trocknung mit Nafion® im Vergleich zu anderen Trocknungsarten allerdings weitaus besser.

Komponenten geeignet nicht geeignet
Atmosphärische Gase wie: N2, H2, O2, Edelgase

X

 
Oxide: CO, CO2, SO2, SO3, NOX

X

 
Halogene und Halogenverbindungen: Cl2, F2, HCl, HF, HBr, Halogenkohlenwasserstoffe

X

 
Schwefelkomponenten: H2S, COS, Merkaptan

X

 
Kohlenwasserstoffe (alle einfachen ohne funktionelle Gruppen)

X

 
Toxische Gase wie: HCN, COCl2, NOCl

X

 
Anorganische Säuren

X

 
Polare organische Komponenten wie: DMSO, Alkohole; org. Säuren, Ketone  

X

Ammoniak und Ammoniumverbindungen  

X

 

Typische Installationen

Im einfachsten und effektivsten apparativen Aufbau wird der Trockner mit externem Trockengas im Gegenstrom  betrieben. Hierbei ist es unerheblich, welches Gas verwendet wird. Der Trockengasfluss sollte ca. 2 mal so groß sein, wie der Messgasfluss. Lediglich bei der Trocknung von HCl-haltigen Gasen, muß der Trockengasflusauf das 8 - 10 fache des Messgasflusses erhöht werden.

Steht kein Trockengas zur Verfügung, so kann ein Teilstrom des getrockneten Probengases abgezweigt und als Trockengas verwendet werden. Um eine Wasserpartialdruckdifferenz aufzubauen, muss das so gewonnene Spülgas mit einer Pumpe im Unterdruck durch den Spülgasraum geströmt werden. Das Verhältnis der beiden (Absolut-) Drücke definiert, das Trocknungspotential.

 

Wartung von Perma Pure Nafion® Trocknern

Perma Pure Trockner sind wartungsfrei, solange die Oberfläche nicht durch Partikel oder Kondensat verschmutzt wird. Es ist daher notwendig, Perma Pure Trockner nur mit filtrierten Gasen zu betreiben und ein sauberes, ölfreies Spülgas zu benutzen. Im Falle einer Verschmutzung können Perma Pure Trockner gereinigt werden. Hierzu wird das Nafion® Rohr oder das Rohrbündel im ausgebauten Zustand mit Lösungsmitteln wie Halogenkohlenwasserstoffen, Isopropanol danach mit verdünnter Salzsäure und abschließend mit destilliertem Wasser gespült.

 

Weitere Anwendungen

Da das Wasser immer in Richtung der geringeren Konzentration wandert, eignen sich Perma-Pure-Trockner auch für die selektive Befeuchtung von Gasen. Dies wird insbesondere für die Befeuchtung trockener Messgase bei Verwendung elektrochemischer Zellen und für die Befeuchtung trockener Prüfgase ausgenutzt.

Technische Daten