Posterbeitrag

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Posterbeitrag

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Vortragsprogramm
Donnerstag, 26. März 2015
Gemeinsame Plenarveranstaltung
08:50
09:00
09:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
Begrüßung durch die Vorsitzenden
Integrierter Prozess aus Reaktivrektifikation und organophiler Nanofiltration
zur Produktion von Biodiesel
K. Werth, K. Neumann, M. Skiborowski, A. Górak, TU Dortmund/D
Highly selective membranes for blood purification
B. Krause, A. Boschetti-de-Fierro, S. Dutczak, C. Zweigart, Gambro Dialysatoren
GmbH, Hechingen/D
Entwicklung wandlungsfähiger Trennapparate für produkt- und
kapazitätsflexible Produktion
S. Paul, G. Cvetanoska, S. Müller, J. Riese, S. Lier, M. Grünewald,
Ruhr-Universität Bochum/D
Kaffeepause
Membrane and absorption processes for an efficient CO 2 separation
C. Grüner, Evonik Industries AG, Hanau/D; A. Kobus, G. Baumgarten, Evonik
Industries AG, Marl/D; R. Steglich, Evonik Industries AG, Essen/D; J. Rolker, Evonik
Industries AG, Hanau/D; J. Balster, Evonik Fibres GmbH, Schörfling/A
Free form fabrication of membrane devices
M. Wessling, RWTH Aachen/D
Mittagspause und Posterausstellung
Membrantechnik
13:00
13:30
14:00
14:30
Fluidverfahrenstechnik
Posterkurzvorträge (3 Min. je Poster)
Posterkurzvorträge (3 Min. je Poster)
Solvent-free production of electrically Bestimmung von CO 2 -Gaslöslichkeiten
conductive polyetherimide membranes in physikalischen und chemischen
C. Otto, U.A. Handge, Helmholtz-Zentrum Waschmitteln mit Hilfe einer
Phasengleichgewichtsapparatur
Geesthacht/D; O. Aschenbrenner,
FutureCarbon GmbH, Bayreuth/D;
F. Höhler, R. Deschermeier, S. Rehfeldt,
V. Abetz, Helmholtz-Zentrum Geesthacht H. Klein, TU München, Garching/D
und Universität Hamburg/D
Methodenentwicklung zur Herstellung Enzymaktivierte Lösungsmittel für die
von Membranen mit spezifischen
Reaktivabsorption von CO 2 : Strategien
Strukturen und Eigenschaften
für ein Einsatz in Absorptionskolonnen
M. Metze, G. Nino-Amezquita, A. Bluma, A.-K. Kunze, A. Górak, P. Lutze,
A. Reiche, Sartorius-Stedim Biotech
TU Dortmund/D
GmbH, Göttingen/D
Transferring membrane polymer
Experimentelle Untersuchung eines
properties into separation process
neuen vielversprechenden
performance
Lösungsmittels für die CO 2 Abscheidung
C. Schnitzer, Evonik MET Ltd.,
Greenford/UK; A. Kobus, G. Baumgarten, N. Hüser, T. Schuhmacher, E.Y. Kenig,
Evonik Industries AG, Marl/D; T. Visser, Universität Paderborn/D
J. Balster, Evonik Fibres GmbH,
Schörfling/A
Vortragsprogramm
Donnerstag, 26. März 2015
15:00
15:30
16:00
Membrantechnik
Untersuchung des Einflusses der
Modulgeometrie auf die Trennleistung
der Ultrafiltration
H. Thiess, S. Zobel, TU Clausthal/D;
U. Grummert, M. Leuthold, Sartorius
Stedim Biotech GmbH, Göttingen/D;
J. Strube, TU Clausthal/D
Kaffeepause und Posterausstellung
Enhancement of ultrafiltration
membrane properties by blend
modifications with ZnO nanoparticles
T. van den Berg, M. Ulbricht, Universität
Duisburg-Essen/D
Design optimization through data
reconciliation on the Rectisol process
L. Chaubet, G. Aras, H. Schlichting, Air
Liquide Forschung & Entwicklung GmbH,
Frankfurt am Main/D; S. Schmidt,
M.-M. Weiß, Air Liquide Global E&C
Solutions GmbH, Frankfurt am Main/D
Untersuchung fluiddynamischer
Parameter in Packungskolonnen durch
Verwendung von
Röntgencomputertomographie
S. Schug, W. Arlt, Universität ErlangenNürnberg/D
Untersuchung des Filtrationsverhalten Experimentelle Untersuchung der
16:30
von w/o Pickering Emulsionen für
Flüssigkeitsmaldistribution in
Flüssig-Flüssig Reaktionen
Füllkörperkolonnen mit
T. Skale, Hochschule für Wirtschaft und unterschiedlichen Durchmessern
Technik Berlin/D; D. Stehl, R. v. Klitzing, F. Hanus, TU München, Garching/D;
M. Kraume, TU Berlin/D; A. Drews,
R. Hoffmann, Linde AG, Pullach/D;
Hochschule für Wirtschaft und Technik
S. Rehfeldt, H. Klein, TU München,
Berlin/D
Garching/D
Energetische Untersuchung zur
Untersuchungen zur
17:00
Partikelfiltration mit getauchten
Flüssigkeitsverteilung in
Niederdruck-Spiralwickel-Elementen
Packungskolonne mithilfe von
Zellenmodellen
P. Steinle, O. Sturm, G. Braun,
Fachhochschule Köln/D; S. Ripperger,
F. van Holt, G. Zheng, M. Grünewald,
TU Kaiserslautern/D
Ruhr-Universität Bochum/D
Untersuchungen zur
Einfluss des Neigungswinkels
17:30
Entmonomerisierung wässriger
strukturierter Packungen auf das
Polymerlösungen mithilfe der
Strömungsverhalten: Bewertung
Ultrafiltration
basierend auf tomographischen
Untersuchungen
G. Cvetanoska, M. Grünewald, RuhrUniversität Bochum/D
J. Steube, A. Janzen, Universität
Paderborn/D; S. Aferka, M. Crine,
P. Marchot, D. Toye, Universität Liège/B;
E.Y. Kenig, Universität Paderborn/D
18:00
Ende der Vorträge
17:00 - Beiratssitzung der Fachgruppe Membrantechnik und Fluidverfahrenstechnik
19:00
(parallel)
ab 19:30 Geselliger Abend
Vortragsprogramm
Freitag, 27. März 2015
08:50
09:00
09:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
Membrantechnik
Bericht aus der Beiratssitzung der
Fachgruppe
Modellierung und experimentelle
Analyse der Nanofiltration uranhaltiger
Wässer
M. Hoyer, R. Haseneder, J.-U. Repke,
TU Bergakademie Freiberg/D
Energetische Betrachtung einer
mehrstufigen VakuumMembrandestillation bei der
Aufkonzentrierung von Salzlösungen
im Sättigungsbereich
Ch. Kleffner, N. Kruse, G. Braun,
Fachhochschule Köln/D; S. Heinzl,
memsys TEC AG, Grafing/D
Eine systematische Untersuchung zur
Anwendung der Membrandestillation
in der Meerwasserentsalzung
A. Hagedorn, G. Fieg, TU HamburgHarburg/D; J. Koschikowski, Fraunhofer
ISE, Freiburg/D; T. Mann, MAHLE
Industriefiltration GmbH, Hamburg/D
Kaffeepause und Posterausstellung
Entfernung von Tensiden aus
organischen Lösungsmitteln durch
organophile Nanofiltration
A. Drews, D. Zedel, Hochschule für
Technik und Wirtschaft Berlin/D;
M. Kraume, TU Berlin/D
Analyse des Stofftransports bei einem
Membrankontaktorverfahren mit
dichter Membran für die
Biogasaufbereitung
J. Kerber, J.-U. Repke, TU Bergakademie
Freiberg/D
Dezentrale O 2 -Versorgung mit
keramischen HochtemperaturMembranen
R. Kriegel, Fraunhofer IKTS,
Hermsdorf/D
Bericht aus der Beiratssitzung der
Fachgruppe
Rückblick auf 40 Jahre Entwicklung
von Gitterfüllkörpern
J. Maćkowiak, ENVIMAC Engineering,
Oberhausen/D
Mittagessen
Modifizierung des Billet und SchultesModells zur hydraulischen
Modellierung von Füllkörpern und
Packungen
V. Wolf, M. Lehner, Montanuniversität
Leoben/A; K. Hoffmann, RVT Process
Equipment GmbH, Steinwiesen/D
Biokatalytische Reaktivrektifikation: Insitu Beschichtung von strukturierten
Packungen mit biokatalytischen
Überzügen
R. Heils, S. Kühn, A. Liese, I. Smirnova,
TU Hamburg-Harburg/D
Systematische Herleitung von
Anwendungsbereichen für reaktive
Trennwandkolonnen
M. Schröder, C. Ehlers, G. Fieg,
TU Hamburg-Harburg/D
A new application of dividing-wall
columns for the separation of middleboiling impurities
L. Cameretti, D. Demicoli, R. Meier,
Evonik Industries AG, Marl/D
Einsatz von Trennwandkolonnen zur
Effizienzsteigerung bestehender
industrieller Prozesse
H.-M. Lorenz, TU Bergakademie
Freiberg/D; D. Staak, Lonza Ltd.,
Visp/CH; J.-U. Repke, TU Bergakademie
Freiberg/D
Vortragsprogramm
Freitag, 27. März 2015
13:30
14:00
14:30
15:00
15:30
Membrantechnik
Einsatz von Membranverfahren zur
Gasseparation für sich ändernde
Rohstoff- und
Energieversorgungsszenarien
T. Brinkmann, M. Grätz, J. Lillepärg,
H. Mushardt, S. Shishatskiy, HelmholtzZentrum Geesthacht/D
Ein neues
Flachmembranmodulkonzept für die
Gasseparation
T. Brinkmann, J. Wind, H. Notzke,
T. Wolff, Helmholtz-Zentrum
Geesthacht/D; S. Luhr, L. Zhao,
Forschungszentrum Jülich GmbH/D
Charakterisierung des Stofftransportes bei der Hochdrucktrennung von Gasgemischen mit
Kohlenstoffmembranen
N. Kruse, Y. Schießer, Fachhochschule
Köln/D; S. Kämnitz, H. Richter, I. Voigt,
Fraunhofer IKTS, Hermsdorf/D; G. Braun,
Fachhochschule Köln/D; J.U. Repke,
TU Bergakademie Freiberg/D
Molecular sieve membranes made
from MOFs: Lab curiosity or bright
industrial future?
J. Caro, Leibniz Universität Hannover/D
Windinduzierte Querschwingungen an
Kolonnen
M. Weber, INEOS Phenol GmbH,
Gladbeck/D
Ende der Vorträge
Zum zyklischen Betrieb von
Rektifikationskolonnen
C. Knösche, J. Paschold, S. Bütehorn,
A. Shilkin, BASF SE, Ludwigshafen/D
Erfassung von Entrainment in ColdFlow Versuchen mittels optischer
Messtechnik
M. Lichti, H.-J. Bart, TU Kaiserslautern/D
Gittersensorbasierte Visualisierung
von Verweilzeit- und
Geschwindigkeitsverteilungen auf
einem Siebboden
M. Schubert, M. Piechotta, M. Beyer,
Helmholtz-Zentrum DresdenRossendorf/D; U. Hampel, HelmholtzZentrum Dresden-Rossendorf und
TU Dresden/D
Posterprogramm
Membrantechnik
P1
Kinetische Untersuchungen zur Reaktivextraktion im membrangestützten
Mikrokontaktor
S. Willersinn, H.-J. Bart, TU Kaiserslautern/D
P2
Dispersionsfreie Zweiphasenströmung der Flüssig/Flüssig-Extraktion im
Mikrokanal
S. Willersinn, H.-J. Bart, TU Kaiserslautern/D
P3
Untersuchungen zur pH-abhängigen Abtrennung von Indium und Germanium
aus wässrigen Lösungen mit NF-Membranen
A. Werner, R. Haseneder, J.-U. Repke, TU Bergakademie Freiberg/D
P4
Modellierung von stofftransportlimitierten Reaktionen im mit
Mehrphasenströmung betriebenen Strahlzonen-Schlaufenreaktor
S. Heithoff, N. Räbiger, Universität Bremen/D
P5
Charakterisierung virus-rückhaltender Membranen mittels Filtration von
Goldnanopartikeln und flüssig-flüssig Porometrie
P. Kosiol, B. Hansmann, V. Thom, Sartorius Stedim Biotech GmbH, Göttingen/D;
M. Ulbricht, Universität Duisburg-Essen/D
P6
Einfluss der Polymer-Nanoschichtarchitektur auf die Bindung von
Modellproteinen an Ionentauscher-Membranadsorber
J. Schwellenbach, S. Björn, F. Taft, L. Villain, Sartorius Stedim Biotech GmbH,
Göttingen/D; J. Strube, TU Clausthal/D
P7
Membranprozesse für die H2-Rückgewinnung aus fossil befeuerten
Kraftwerken und artverwandten Verfahren
M. Grätz, S. Shishatskiy, T. Brinkmann, Helmholtz-Zentrum Geesthacht/D
P8
Effects of process parameters on Mycoplasma retention during membrane
filtration
A. Helling, Slovak University of Technology/SK, Sartorius Stedim Biotech GmbH,
Göttingen/D; M. Polakovič, Slovak University of Technology; V. Thom, Sartorius
Stedim Biotech GmbH, Göttingen/D
P9
Erste Praxiserfahrungen mit der organophilen Nanofiltration im Applikationszentrum Membrantechnik des Fraunhofer IKTS
C. Pflieger, Fraunhofer IKTS, Schmalkalden/D
P 10
Preparation of PEO-b-PMMA diblock copolymers as additive for PVDF
ultrafiltration membranes
J. Meyer, M. Ulbricht, Universität Duisburg-Essen/D
P 11
Preparation of ultrafiltration membranes with diblock copolymer additives for
low-fouling properties
M. Li, M. Ulbricht, Universität Duisburg-Essen
Posterprogramm
P 12
Untersuchungen zum Holdup von Anstaupackungen
S. Flechsig, Ö. Yildirim, E.Y. Kenig, Universität Paderborn/D
P 13
Efficient liquid-liquid extraction by a milli-device based on hydrophobic
membranes
T. Wellsandt, B. Stanisch, J. Strube, TU Clausthal/D
P 14
Experimentelle Untersuchungen zur Charakterisierung von rotierenden
Stoffaustauschmaschinen
K. Neumann, M. Grimm, P. Lutze, TU Dortmund/D
P 15
Vorhersage von binären Fickschen Diffusionskoeffizienten in Flüssigkeiten
mit COSMO-RS
S. Rehfeldt, T. Sachsenhauser, S. Schreiber, H. Klein, TU München, Garching/D
P 16
Einfluss von Biofouling auf Strömung und Wärmeübergang in
wasserführenden Systemen
S. Pohl, H.-J. Bart, TU Kaiserslautern/D; W. Manz, M. Madzgalla, Universität
Koblenz-Landau/D
P 17
Wärmeübertragung und Fluiddynamik in Thermoblech-Kondensatoren:
Modellierung basierend auf experimentellen Untersuchungen
J.M. Tran, M. Piper, E.Y. Kenig, Universität Paderborn/D
P 18
Separation of partially hydrogenated LOHC mixtures
R. Aslam, K. Müller, K. Stark, W. Arlt, Universität Erlangen-Nürnberg/D
Vorträge
Integrierter Prozess aus Reaktivrektifikation und organophiler
Nanofiltration zur Produktion von Biodiesel – Experimentelle
Untersuchung und Modellierung
Kathrin Werth, Kolja Neumann, Mirko Skiborowski, Andrzej Górak
TU Dortmund, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Dortmund, Deutschland
Die Produktion von Biodiesel ist aufgrund hoher Rohstoffkosten für die eingesetzten
raffinierten Pflanzenöle bisher unwirtschaftlich. Eine Verarbeitung minderwertiger
Öle, wie zum Beispiel Altspeiseöle, stellt eine vielversprechende Möglichkeit zur
Kostensenkung dar, welche den produzierten Biodiesel zudem zu einem Biokraftstoff
der 2. Generation aufwertet. Ein Nachteil dieser minderwertigen Öle ist allerdings der
hohe Anteil an freien Fettsäuren, bei denen es bei der basisch katalysierten
Umesterungsreaktion von Öl mit einem Alkohol zu Biodiesel zu einer Verseifung mit
dem Katalysator kommt. Um diese unerwünschte Nebenreaktion zu vermeiden, ist
der Fettsäureanteil im Öl zu minimieren.
Eine Möglichkeit ist die Veresterung der freien Fettsäuren, für welche sich auf Grund
einer Gelichgewichtslimitierung die Umsetzung in einer Reaktivrektifikationskolonne
anbietet. Durch den hohen Anteil an Triglycerid im Altspeiseöl können jedoch
Stofftransportlimitierungen
auftreten,
welche
das
Betriebsfenster
der
Reaktivrektifikation einschränken. Außerdem schwankt die Zusammensetzung der
Altspeiseöle. Um diese Herausforderungen zu überwinden und das Betriebsfenster
der Reaktivrektifikation zu erweitern, wird ein integrierter Prozess vorgestellt, der
Reaktivrektifikation und organophile Nanofiltration (oNF) kombiniert. Mittels oNF ist
eine energieeffiziente Abtrennung der freien Fettsäuren aus dem Altspeiseöl möglich,
welche zudem bei hoher Selektivität eine Weiterverwendung der Fettsäuren zu
neuen Wertprodukten ermöglichen kann.
Um eine Bewertung dieses integrierten Prozesses zu ermöglichen, wurden beide
Verfahren zunächst experimentell untersucht. Neben einem Membranscreening
wurde der Einfluss verschiedener Lösungsmittel auf die Selektivität der Trennung
mittels oNF untersucht. In Reaktivrektifikationsexperimenten wurde die Umsetzung
von freien Fettsäuren mit Alkoholen realisiert und geeignete Betriebsbedingungen
bestimmt. Schlussendlich wurde ein anhand der experimentellen Daten validiertes
Modell des integrierten Prozesses in der Simulationsumgebung Aspen Custom
Modeller entwickelt und zur Prozessanalyse des integrierten Prozesses genutzt.
Highly Selective Membranes for Blood Purification
Bernd Krause, Adriana Boschetti-de-Fierro, Szymon Dutczak, Carina Zweigart,
Gambro Dialysatoren GmbH, Hechingen/Germany
Renal replacement therapies (RRT) based on blood purification membranes currently
cannot mimic the well-defined size exclusion filtration performed by the natural
kidney. One of the restrictions relay in the limited selectivity achieved during
membrane production by the phase inversion technic. During phase inversion
production, stable and reproducible membranes are produced, however at the cost of
an inherent pore size distribution. The importance of a narrow pore size distribution
has increased hand in hand with clinical evidence that leads to infer the removal of
large uremic toxins would be beneficial for patients in RRT.
Assisted phase inversion
Additives are widely used in membrane production through phase inversion process
as pore formers and surface modification agents. Blood purification membranes are
commonly manufactured with poly(vinyl pyrrolidone). The polymer assists the pore
formation during the phase inversion process and renders the hydrophilicity required
during the application. Additionally, further additives such as swellable substances
can be used in order to generate pores with a narrow distribution. As examples of
suitable biocompatible swellable substances polybetaines, hyaluronic acid or
phosphorylcholines will be shown. The incorporation of these substances within the
polymeric membrane structure improves the membrane permeability through a
swollen network and contributes with a more uniform pore formation, as shown by
increased water permeability, improved sieving coefficient for myoglobin and/or lower
sieving coefficient for albumin.
Tailored hollow fiber technology
Manufacturing blood purification membranes comprises the membrane phase
inversion process as well as the spinning, washing and drying procedures. The
tailored hollow fiber technology allows us to control manufacturing as required to
deliver highly selective blood purification membranes. We will show the progress
made in membrane technology allowing narrower pore size distribution, expanding
the range of solutes removed from the blood stream and mimicking the filtration
profile of the natural kidney.
Entwicklung wandlungsfähiger Trennapparate
für produkt- und kapazitätsflexible Produktion
Sarah Paul, Gordana Cvetanoska, Stephan Müller, Julia Riese, Stefan Lier,
Marcus Grünewald, Ruhr-Universität Bochum, Bochum/Deutschland
Wandlungsfähigkeit als Anforderung an Apparate und Prozesse ist anders als zum
Beispiel in der Produktionstechnik erst in den letzten Jahren in das Bewusstsein der
stoffumwandelnden Industrie getreten. Eine wesentliche Rolle spielen dabei zum
einen die sich verändernden Randbedingungen bei den zur Verfügung stehenden
Rohstoff- und Energieströme, zum anderen die immer größeren Schwankungen der
Kundennachfragen in Bezug auf Zeit und Ort. Begriffe wie Diversifizierung der
Märkte, wandelnde Rohstoffbasis und fluktuierende regenerative Energien sind nur
wenige Stichworte, die den sich ankündigen Wandel beschreiben.
Die Antworten auf diese Entwicklungen führen zwangsläufig zu der Notwendigkeit
einer Flexibilisierung der Produktion. Öffentliche Forschungsprojekte wie F3 Factory,
Copiride, Polycat, EnPro und ModuLOG, an denen die Ruhr-Universität als Partner
teilnimmt bzw. teilgenommen hat, aber auch firmenspezifische Projekte und
Initiativen wie Invite sind Ausdruck dieser Bedarfssituation. Insgesamt konnte damit
bisher an einzelnen Beispielen eindrucksvoll gezeigt werden, dass sich auch
chemische Produktionsanlagen unter den Gesichtspunkten einer flexiblen und
modularen Produktionsstrategie erfolgreich planen und betreiben lassen.
Vor diesem Hintergrund stellt sich der Stand der Forschung auf dem Feld der
wandlungsfähigen Trennapparate deutlich zweigeteilt dar. Auf der einen Seite
existieren seit Jahrzehnten eine Vielzahl etablierter, flexibler, zum Teil modular
aufgebauter Apparatekonzepte wie zum Beispiel Plattenwärmetauscher,
Membranverfahren und Filtriersysteme. Die Vorteile der modularen Bauart sind dabei
in der Regel eine erhöhte Flexibilität hinsichtlich Kapazität und Produktvielfalt sowie
örtlicher Verlagerbarkeit. Auf der anderen Seite stellen Grundoperationen, bei der
zwei fluide Phasen direkt in Kontakt stehen, also Extraktion, Destillation und
Absorption, immer noch eine große Herausforderung dar. Zwar existieren (auch
eigene) Lösungsansätze in der Literatur, die eine Abkehr von der auf
unterschiedlichen Dichten basierenden Phasentrennung beruhen, wie zum Beispiel
membrangestützte Kontaktoren und der Einsatz hydrophob/hydrophil benetzender
Oberflächenkontaktoren, allerdings hat eine Analyse dieser Lösungsansätze nur
eingeschränkt Vorteile gegenüber dem Einsatz konventioneller Apparatetypen wie
zum Beispiel Kolonnen ergeben. Eigene Lösungsansätze beschäftigen sich
stattdessen mit der Modifizierung etablierter konventioneller Trennapparate hinzu
einem modularen Aufbau.
In diesem Beitrag wird ein Überblick über flexible und modulare Apparatekonzepte
gegeben. Eigene Forschungsarbeiten der Arbeitsgruppe werden vorgestellt.
Membrane and Absorption Processes
for an Efficient CO2 Separation
Dr. Christof Grüner1, Dr. Axel Kobus1, Dr. Götz Baumgarten1, Rick Steglich1, Dr. Jörn
Rolker1, Dr. Jörg Balster2, 1Evonik Industries AG, 2Evonik Fibres GmbH
The removal of acid gases is a well-known unit operation in the natural gas,
synthesis gas and biogas industries. Different approaches have been developed to
provide the proper solution for an efficient separation of CO2. Among those, the
absorption and the membrane processes show two key separation technologies with
the promise of significantly reduced costs.
For the absorption technology a number of absorbents and processes that were
developed in past fifty years are industry standard now. The most dominating
absorbents in such processes are amine-based, which is due to the fact that amines
offer a great deal of benefits (such as deep removal of acid gases) over other type of
absorbents. However, amine-based absorbents and processes still suffer from
numerous short-comings such as energy intensive absorbent regeneration, limit acid
gas solubility, thermal and chemical stability, volatility, corrosiveness, and foaming.
To overcome such limitations, the next generation of amine-based absorbents has to
be developed that not only offer the conventional benefits of amine-based processes,
but significantly reduce its short-comings.
Membrane based gas separation is an efficient alternative for the upgrading of acid
gases because in many cases the product, i.e. biomethane, rises on the highpressure side and the membrane has to be passed by the lower CO2 fraction only.
Membrane based separation processes are easily scalable to smaller and bigger
sizes, can be started and stopped within minutes and do not need any auxiliaries
such as amines or water or regeneration.
In this presentation we will show the development and implementation of a new
multistage membrane process containing highly selective SEPURAN® membranes
and its future potential. Furthermore, for the absorption process we will present
methodologies to investigate different issues such as acid gas solubility, thermal
stability, corrosion and foaming followed by their respective results for Evonik’s
absorbent. Moreover, some pilot test results comparing the performance of Evonik's
Absorbent with some industry standard amines will be presented.
Solvent-Free Production of Electrically Conductive Polyetherimide
Membranes
Christian Otto1, Ulrich A. Handge1, Ortrud Aschenbrenner2, Volker Abetz1,3
1
Institute of Polymer Research, Helmholtz-Zentrum Geesthacht,
Max-Planck-Straße 1, 21502 Geesthacht, Germany
2
3
FutureCarbon GmbH, Gottlieb-Keim-Straße 60, 95448 Bayreuth, Germany
Institute of Physical Chemistry, University of Hamburg, Grindelallee 117, 20146
Hamburg, Germany
Electrically conductive membranes for filtration applications offer several interesting
possibilities. Of very high interest is their ability to combat membrane fouling, which is
a major problem in pressure driven filtration processes. For example, the deposition
of electrically charged particles through electrophoresis and electro-osmosis can be
hindered, the growth of microorganisms can be reduced with electric fields and selfcleaning through gas production in the electrolysis of water can be performed.
Because of their high aspect ratio, carbon nanotubes are promising fillers to increase
the electrical conductivity in polymer membranes.
A noticeable concern of membrane production is that many processes involve
solvents that are hazardous to the environment. In this study, a solvent-free sintering
process was applied to sinter porous membranes using polyetherimide (PEI) powder
particles (Ultem® 1000P) with particle surfaces covered by pristine multi-walled
carbon nanotubes. Polyetherimide has a high chemical, mechanical and thermal
resistance and is successfully used in different membrane production processes. The
covering of the powder particles was performed using a purely mechanical
procedure. Sintering is a low-stress process that does not alter the high aspect ratio
of MWCNT and minimizes their displacement during processing. Scanning electron
micrographs reveal that the MWCNT formed a network structure inside the
composite. The membranes show very high water fluxes between 1800 and
4900 l/(h m2) and furthermore, a specific conductivity of up to 2.5 S/m was attained
with 3.0 wt% of pristine MWCNT. Additionally, the presence of the MWCNT on the
polymer particle surfaces changed the sintering behaviour of PEI. Decorated
particles showed a decreased tendency to fuse completely, leaving open pores
between adjacent particles for longer sintering times.
Methodenentwicklung zur Herstellung von Membranen mit
spezifischen Strukturen und Eigenschaften
M. Metze, Sartorius-Stedim-Biotech GmbH, Göttingen, Deutschland
G. Nino-Amezquita, Sartorius-Stedim-Biotech GmbH, Göttingen, Deutschland
A. Bluma, Sartorius-Stedim-Biotech GmbH, Göttingen, Deutschland
A. Reiche, Sartorius-Stedim-Biotech GmbH, Göttingen, Deutschland
Poröse Polymermembranen auf Basis von Cellulosederivaten werden industriell
häufig
durch
das
Verdunstungsverfahren
hergestellt.
Dabei
durchläuft
ein
Gießlösungsfilm eine Phasenseparation, die durch kontrollierte Verdunstung der
Lösungsmittel ausgelöst wird und bei weiterer Trocknung zur Bildung poröser
Strukturen führt.
Das Verfahren wird großtechnisch zur Herstellung von Cellulosederivatmembranen
mit Porengrößen im Bereich von 0,1 – 10 Pm eingesetzt, welche z. B. Grundlage von
Filterprodukten und diagnostischen Produkten für die Biotechnologie sind. Die dabei
gebildete Struktur ist abhängig von der Zusammensetzung bei der die Entmischung
stattfindet sowie von Stoff- und Energieeintrag in den Gießlösungsfilm.
Die
Arbeit
stellt
eine
Methodologie
dar,
die
die
Untersuchung
der
thermodynamischen Eigenschaften eines Gießlösungssystems als Grundlage für die
Untersuchung der Membranstrukturbildung verwendet. Dabei wird gezeigt, dass in
unterschiedlichen Gießlösungssystemen gleichartige Strukturkategorien auftreten,
denen
spezifische
physikalische
Eigenschaften
zuzuordnen
sind.
Diese
Eigenschaften liefern vollwertige Information, um die Entwicklung neuer Membranen
und deren Applikationen effizienter durchzuführen.
Transferring Membrane Polymer Properties into Separation Process
Performance
Dr. Christian Schnitzer 1); Dr. Tymen Visser 2), Dr. Joerg Balster 2), Dr. Goetz
Baumgarten 3); Dr. Axel Kobus 3)
1) Evonik MET, London, UK
2) Evonik Fibres GmbH, Schörfling, Austria
3) Evonik Industries AG, Marl, Germany
Abstract
In membrane separation processes value for the customer is often directly linked to
separation performance of the functional unit, the membrane module. Naturally, the
key component of the membrane module is the membrane material itself. For
polymeric membranes this will usually be either in form of flat sheets or hollow fibers.
While module concepts and membrane types can be different, obtaining good
separation performance can be put down to one core task of the membrane:
Effectively controlling mass transfer through the separation layer of the membrane.
Naturally, the intrinsic properties of the polymers used for membranes have a huge
impact on mass transfer through a membrane. As these properties are subject to
change during the production process, a manufacturer of membranes has to have
both, a deep understanding about membrane manufacturing phenomena and full
control of the process of membrane formation. Only within these constraints it will be
possible to come up with a good and reliable membrane product.
For specialty membranes all of the above is mandatory because the process
conditions and feedstocks where such membranes are applied could be very diverse.
A good membrane has to keep its separation performance even under real process
conditions. This can often be obtained by application, optimization and even
customization of polymeric materials on a molecular level (s. figure).
The lecture will explain the transfer of polymer properties into separation
performance based on two application examples:
a) Purification of methane from raw biogas with Polyimide based Hollow fibre
membranes and
b) Recovery of valuable solutes from organic solvents with customized Thin film
composite Spiral wound membranes.
While both applications are different, the problem which needs to be solved is the
same: Create and translate membrane material properties into a membrane module
which keeps its performance in real systems to achieve a true advantage in
separation processes. This is where competencies of a specialty chemicals company
like Evonik can contribute to unique membrane solutions for the market.
Figure: Levers to influence mass transfer through a silicone based membrane
separation layer on a polymer basis
Untersuchung des Einflusses der Modulgeometrie auf die
Trennleistung der Ultrafiltration
1
Holger Thiess, 1Steffen Zobel, 2Ulrich Grummert, 2Martin Leuthold, 1Jochen Strube
1
Institut für Thermische Verfahrens- und Prozesstechnik, TU Clausthal
2
Sartorius Stedim Biotech GmbH
Die Ultrafiltration ist ein anerkanntes Verfahren zur Aufkonzentrierung oder
Diafiltration von Proteinen in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie. Der
Trennmechanismus beruht dabei auf der unterschiedlichen Größe der zu trennenden
Komponenten. Bei der Auslegung und / oder Optimierung einer Ultrafiltration sind
neben der Druckdifferenz als Triebkraft fluiddynamische und Stofftransportparameter
von Bedeutung [1].
Neben der Durchflussgeschwindigkeit hat das Design des Membranmoduls einen
signifikanten Einfluss auf den Stofftransport. In dieser Präsentation wird der Einfluss
charakteristischer geometrischer Parameter wie der Spacerdicke, der Kanalhöhe und
des Anströmwinkels diskutiert. Dazu wurden auf Basis eines statistischen
Versuchsplans (Design of Experiments) Experimente im Labormaßstab mit speziell
für diese Untersuchung gefertigten Gewebemodulen hinsichtlich Aufkonzentrierung
des Proteins und Versuchsdauer durchgeführt und ausgewertet.
In einem zweiten Schritt wurden die Versuche in einem Modell nachgestellt. Dazu
wurden die Stofftransportbeziehungen um die geometrischen Parameter erweitert.
Als Fundament dient dazu das bereits am Institut entwickelte Ultrafiltrationsmodell
[2]. Das Ziel der Modellierung ist nach erfolgter Validierung einen sicheren Scale-Up
vom Labormaßstab hin zu Pilot- oder Produktionsanlagen zu ermöglichen. Die
Ergebnisse aus der Simulation werden abschließend mit den Versuchsergebnissen
verglichen.
Literatur:
[1]
Melin, T. et al. (2007), Membranverfahren, Springer, Berlin
[2]
Fröhlich, H. et al. (2012), Chem. Ing. Tech., 84(6), 905-917
Enhancement of ultrafiltration membrane properties by blend
modifications with ZnO nanoparticles
T. van den Berg, M. Ulbricht, Lehrstuhl für Technische Chemie II,
Universität Duisburg-Essen, 45141, Germany; thorsten.van-den-berg@uni-due.de
Today nanoparticles are well used in several products and applications, and many
more possibilities exist in other areas. While there is an established market of
industrially produced ultrafiltration membranes, the interest in improvement of
membrane performance is still immense. The integration of nanoparticles in
polymeric ultrafiltration membranes is a very promising approach because it is
possible to enhance several properties of the membrane. For instance, this approach
can yield an increase of the membranes mechanical stability leading to a higher
sustainable flux and a reduction in energy consumption for the filtration process. The
main problem with this approach and typical membrane polymers is the influence of
the hydrophilic, inorganic nanoparticles on the membrane formation in the nonsolvent induced phase separation (NIPS) process. Therefore, just blending
nanoparticles into the dope solution for membrane preparation might negatively
affect the desired membrane structure and performance. In this work, the solvent
affinity of the functional nanoparticles is modulated using a reversible surface
modification. This leads to greater similarity between the nanoparticles and the base
polymer. Therefore undesired effects of nanoparticles as hydrophilic additive during
the NIPS process are reduced and the efficiency of incorporation in the membrane
matrix is increased. This offers the possibility to apply nanoparticles as additives in
many established dope solution formulations with no or only minor alterations
needed. Reversibility of the nanoparticle surface modification under mild conditions
enables additional interesting options for post-treatment of the nanohybrid
membranes to enhance their functionality. ZnO nanoparticles are used as first
prototype and characterized by dynamic light scattering, IR spectroscopy and
Hansen Solubility Parameter analysis. The nanoparticles with varied surface
modification are used in dope solutions with PVDF as base polymer. Ultrafiltration
membranes are prepared using a NIPS process with water as non-solvent. The
obtained membranes are characterized by water flux and ultrafiltration of PEG and
dextran mixtures to establish correlations between nanoparticles functionality,
loading and post-treatment onto membrane structure and separation properties.
Untersuchung des Filtrationsverhalten von w/o Pickering
Emulsionen für Flüssig-Flüssig Reaktionen
T. Skale, J. Cocke, A. Drews, HTW Berlin, Verfahrenstechnik in Life Sci. Eng., Berlin
D. Stehl, R. v. Klitzing, TU Berlin, FG Physikalische Chemie, Berlin
M. Kraume, TU Berlin, FG Verfahrenstechnik, Berlin
Pickering Emulsionen (PE) sind feststoffstabilisierte Emulsionen, welche seit kurzem
auch als Reaktionssysteme für Flüssig-Flüssig-Reaktionen untersucht werden [1].
Um den Katalysator, der häufig in der wässrigen Phase vorliegt, zurückzuhalten, wird
die Trennung der w/o Emulsion mittels Membranfiltration untersucht.
Ob
die
Filtration
von
PEs
überhaupt
möglich
ist
und
welchen
Einfluss
transmembrane Druckdifferenz und Phasenverhältnis auf die Filtration haben, wurde
in diesem Projekt erstmalig untersucht. Für die Versuche werden eine Rührzelle
XFUF04701 (Merck Millipore) und eine Fluorpolymermembran ETNA01PP der Firma
Alfa Laval verwendet. Die PE besteht aus 1- Dodecen (>94%, Merck Chemicals
GmbH), Wasser und Silicapartikeln (20 nm, Wacker) und wird mit einem
Ultraschallhomogenisator hergestellt.
Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die Filtration von PEs möglich ist. Dabei ist
der Fluss unabhängig vom Phasenverhältnis der Emulsion. Die untersuchte PE kann
bis auf einen Wassergehalt von 70-90% aufkonzentriert werden, bis sie aufbricht.
Pressure-stepping Experimente zeigen einen überproportionalen Anstieg des
Flusses mit zunehmendem Druck, was im Vergleich zum eher typischen
unterproportionalem Verhalten des Flusses bei der Membranfiltration aufgrund
diverser Widerstände wie z.B. der Membrankompaktierung, ungewöhnlich ist. Diese
Überproportionalität
konnte
auf
die
Koaleszenz
der
Tropfen
unter
Filtrationsbedingungen und dem daraus entstehenden größeren hydraulischem
Durchmesser zurückgeführt werden. Zudem liegen die Flüsse des reinen Lösemittels
unterhalb
derer
der
PE.
Dieser
Effekt
und
weitere
Parameter
wie
Überströmgeschwindigkeit und Temperatur werden noch untersucht.
Diese Arbeiten sind Teil des von der TU Berlin koordinierten SFB/TRR 63
"Integrierte chemische Prozesse in flüssigenMehrphasensystemen". Die Autoren
bedanken sich bei der DFG für die finanzielle Unterstützung des Projektes (TRR 63).
Wir danken Alfa Laval für die Bereitstellung der Membranen.
[1] Wu, C.; Bai, S.; Ansorge-Schumacher, M. B.; Wang, D., Adv. Mat. 2011
Energetische Untersuchung zur Partikelfiltration mit getauchten
Niederdruck-Spiralwickel-Elementen
P. Steinle, O. Sturm, G. Braun, Fachhochschule Köln, Köln/Deutschland
S. Ripperger, TU Kaiserslautern, Kaiserslautern/Deutschland
Der Einsatz von Modulsystemen mit getauchten Membranen zur Abwasserreinigung hat gegenüber konventionellen Verfahren ohne Membranen zahlreiche Vorteile, allerdings auch den Nachteil eines höheren Energieverbrauchs. Zur Reduzierung der erforderlichen Energie wurde ein Spiralwickel-Element entwickelt, dessen
wellenförmiger Feedspacer die Verblockungsneigung durch definierte Strömungskanäle verringert. Die dabei eingesetzten Feedspacer weisen Kanalhöhen von 1,2 mm
bis 5 mm auf, mit denen die Module als 4“ bzw. 8“-Elemente eine Membranfläche
von 6,5 m² bzw. 8,5 m² erreichen. Die daraus resultierenden Packungsdichten sind
deutlich höher als von üblicherweise eingesetzten getauchten Systemen mit Plattenoder Hohlfasermembranen, wodurch sich der spezifische Luftbedarf der Begasung
reduzieren lässt.
In dieser Arbeit soll der zur Filtration erforderliche Energiebedarf theoretisch
und experimentell ermittelt, sowie das Modul im Hinblick auf Spacerhöhe und Begasungsrate optimiert werden. Die theoretischen Betrachtungen umfassen unter anderem numerische Strömungssimulationen mit denen der Aufstieg verschiedener Gasblasen in Einzelkanälen mit dem Volume-of-Fluid Modell in Ansys FLUENT simuliert
wird. Von besonderem Interesse sind dabei die auftretenden Wandscherspannungen
während des Blasenaufstiegs in Abhängigkeit von Blasengröße und eingesetzter
Spacerhöhe.
Dazu
werden
an
einer
voll
automatisierten
Versuchsanlage
Permeationsmessungen mit verschiedenen Suspensionen durchgeführt, bei denen
der zeitliche Verlauf des Filtrationswiderstandes gemessen wird. Dabei werden auch
Suspensionen mit nicht-newtonschem Fließverhalten untersucht. Besonderes Interesse gilt dabei neben der Zunahme des Filtrationswiderstandes durch verschiedene
Foulingphänomene auch der Verblockung einzelner Feedkanäle. Die hierbei gemessenen Werte dienen zur Gewinnung zusätzlicher Eingangsparameter für die Simulation und deren Validierung.
Mit den Ergebnissen soll gezeigt werden, dass der Einsatz von SpiralwickelElementen im Bereich der Partikelfiltration und für die Filtration von industriellen und
kommunalen Abwässern Einsparpotentiale bezüglich des Energieverbrauchs bietet.
Untersuchungen zur Entmonomerisierung
wässriger Polymerlösungen mithilfe der Ultrafiltration
Gordana Cvetanoska, Marcus Grünewald
Ruhr-Universität Bochum, Bochum
Bei der Herstellung von Polymeren gehört die Entfernung von Restmonomeren zu
einer der Hauptaufgaben bei der Aufarbeitung. Häufig angewendete Methoden sind
die Nachreaktion bei höheren Temperaturen und das Strippen bzw. die Entgasung
der Polymerlösung. Beide Vorgehensweisen werden im Fall von batchweise
hergestellten Polymeren in der Regel noch im Rührkesselrektor durchgeführt.
Kontinuierliche Verfahren finden dagegen nur bei Bulkpolymeren Verwendung.
Ziel eigener Untersuchungen ist es, auch für kleinvolumige Polymerprodukte ein
kontinuierliches Aufarbeitungsverfahren zur Entfernung der Restmonomere zu
entwickeln. Wesentliche Randbedingung ist dabei im Sinne eines schnellen
Markteintritts neuer Polymerprodukte, eine möglichst zeit- (und kosten)effizente
Übertragung
des
Aufarbeitungsverfahrens
vom
Labormaßstab
in
den
Produktionsmaßstab zu gewährleisten.
Im Rahmen des Beitrages werden zunächst die
potentielle Verfahrensalternativen diskutiert und
die Auswahl der Ultrafiltration diskutiert. Im
Anschluss
erfolgt
experimentellen
die
Vorstellung
Versuchsaufbaus
und
des
die
Diskussion der experimentellen Untersuchungen
zum Einfluss der Betriebsparameter auf die
Zielgröße Monomerkonzentration im Retentat
sowie auf den Permeatfluß.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Permeatfluß
linear mit der transmembranen Druckdifferenz
ansteigt. Mit steigender Temperatur und größere Cross-Flow-Geschwindigkeit sinkt
der Permeatfluß aufgrund des verbesserten Stofftransportes und der verringerten
Neigung zum Fouling. Neben den genannten Einflussfaktoren wurde zudem der
Einfluss der Polymerkonzentration untersucht. Eine erhöhte Konzentrationspolarisation und ein verstärktes Fouling konnte beobachtet werden.
Bestimmung von CO2-Gaslöslichkeiten in physikalischen und
chemischen Waschmitteln mit Hilfe einer
Phasengleichgewichtsapparatur
F. Höhler, R. Deschermeier, S. Rehfeldt, H. Klein,
Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik, Technische Universität München,
Garching/Deutschland
Für die Auslegung von Absorptions- und Desorptionsprozessen zur Entfernung von
Kohlenstoffdioxid (CO2) aus Abgas- und Prozessströmen ist die Kenntnis des
Phasengleichgewichts von Kohlenstoffdioxid und physikalischen oder chemischen
Waschmitteln
essentiell.
Die
Untersuchung
von
Additiven
zu
bestehenden
Waschmitteln bei technisch relevanten Absorptions- und Desorptionsbedingungen
und neuen, innovativen Waschmitteln ist nötig, um Stoffdaten für die Auslegung von
Prozessen zu gewinnen und neu entwickelte Screening-Tools validieren zu können.
Am Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik der Technischen Universität München
wird hierfür eine neukonzipierte Phasengleichgewichtsapparatur verwendet, mit
welcher
isotherme
Gas-Flüssig-
und
Gas-Flüssig-Flüssig-Gleichgewichte
im
Temperaturbereich von -20 bis +180°C und Druckbereich von 4 bis 75 bar
vermessen werden können. Aus Experimenten an dieser Apparatur können
Löslichkeitsdaten wie etwa (p,x,y)-Daten oder Henry-Koeffizienten ermittelt werden.
Als erstes Testsystem im Bereich der physikalischen Waschmittel wurde zur
Validierung der Apparatur das Stoffsystem CO2/Methanol bei Temperaturen von -15
bis +25°C im Druckbereich bis 51 bar untersucht. Es zeigt sich, dass die in der
Literatur aufgeführten Daten sehr gut wiedergegeben werden können. Messungen
des Stoffsystems CO2/Methanol/Wasser zeigen, dass sich, wie in der Literatur
beschrieben, die Absorptionsfähigkeit von reinem Methanol bei Wasserzugabe
deutlich verschlechtert.
Ebenso werden Gleichgewichtsdaten von CO2/Glycolethern/Wasser ermittelt. Die
Gleichgewichtsdaten werden mit entsprechenden Zustandsgleichungen modelliert,
beispielsweise der Cubic-Plus-Association Equation of state.
Enzymaktivierte Lösungsmittel für die Reaktivabsorption von CO 2 :
Strategien für ein Einsatz in Absorptionskolonnen
Anna-Katharina Kunze, Andrzej Górak, Philip Lutze
Technische Universität Dortmund, Dortmund, Deutschland
Die Abtrennung von CO 2 aus industriellen Abgasströmen ist eine Möglichkeit CO 2
Emissionen signifikant zu verringern. Stand der Technik ist die reaktive CO 2
Absorption mit wässrigen Aminlösungen, z.B. Monoethanolamin. Diese Lösungsmittel zeichnen sich durch hohe Reaktionsraten aus, fordern aber einen hohen
Energiebedarf bei der Regeneration. Außerdem treten zusätzlich Nebenreaktionen
auf, welche die Lösungsmittelkapazität verringern. Dadurch stellt die Lösungsmittelregeneration den operativen Hauptkostentreiber in der Abtrennung von CO 2 dar.
Besonders für großtechnische Anlagen, wie es beispielsweise bei Anwendung der
Post Combustion Capture Technologie an Kraftwerksanlagen der Fall wäre, ist die
Intensivierung dieses Prozesses von oberster Priorität.
Potential bieten hierbei Lösungsmittel, welche sich durch gute Regenerationseigenschaften auszeichnen, aber in der Vergangenheit vernachlässigt wurden, da sie
eine geringe Reaktionsrate bei Temperaturen unterhalb von 60°C aufweisen. Der
hier verfolgte Ansatz ist die Reaktionsraten mit Hilfe der gezielten Auswahl und
Zugabe von Katalysatoren signifikant zu steigern. Der Fokus liegt dabei auf der
Anwendung biologischer Katalysatoren, die
herausragende
Steigerung
der
bei diesen Temperaturen
Reaktionsrate
ermöglichen.
Das
eine
Enzym
Carboanhydrase katalysiert die Hydratisierung von CO 2 , die als geschwindigkeitslimitierender Schritt in der Reaktivabsorption von CO 2 gilt. So können die positiven
Eigenschaften
der
gewählten
Lösungsmittel
genutzt
werden
indem
ein
nachwachsender, bioabbaubarer und hoch selektiver Biokatalysator eingesetzt wird.
Diese Arbeit zeigt wie enzymaktivierte Lösungsmittel in Absorptionskolonnen
eingesetzt werden können. Zunächst werden Experimente im Labormaßstab durchgeführt, um das Enzym und das Enzym-Lösungsmittelsystem zu charakterisieren.
Darauf basierend werden Strategien entwickelt, um das gemeinsame Betriebsfenster
der Reaktivabsorption und des Enzyms möglichst effizient zu nutzen. Diese
Strategien umfassen unterschiedliche Integrationsvarianten des Enzyms im Prozess
als homogener oder heterogener Katalysator. Abschließend werden Experimente im
Miniplant
Maßstab
durchgeführt,
um
die
Anwendung
des
Enzyms
Reaktivabsorption in Kolonnen näher zu untersuchen.
The research leading to these results has received funding from the European Union
Seventh Framework Programme FP7/2007-2013 under grant agreement n° 608535.
zur
Experimentelle Untersuchung eines neuen vielversprechenden
Lösungsmittels für die CO2 -Abscheidung
N. Hüser, T. Schuhmacher, E.Y. Kenig
Universität Paderborn, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Paderborn/Deutschland
Die Abscheidung von Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) aus Kraftwerksabgasen wird
überwiegend durch Aminwäsche realisiert. Dieses Verfahren, bestehend aus einer
Absorption mit wässrigen Aminlösungen und anschießender Regenerierung, ist sehr
energieintensiv. In industriellen Anwendungen wird heutzutage überwiegend
Monoethanolamin (MEA) als Standardlösungsmittel verwendet. In der Literatur
werden jedoch zahlreiche weitere aminhaltige Lösungsmittel (Aminmischungen,
aktivierte
Amine,
Energieverbrauch
sterisch
der
gehinderte
CO 2 -Abscheidung
Amine)
zu
vorgeschlagen,
senken
und
um
den
damit
den
Kraftwerkswirkungsgrad zu erhöhen. Von diesen Alternativen wurden aber bisher nur
wenige experimentell überprüft.
Im Laufe eines umfangreichen Screenings [1] im Rahmen des von der EU
finanzierten Projektes CAPSOL (FP7-ENERGY-2011-282789) hat sich 3-Amino-1propanol (3-AP) als vielversprechend erwiesen. Dieses Amin ist kommerziell
erhältlich, wurde jedoch noch nicht im Kreislauf aus Ab- und Desorption von CO 2
getestet.
An der Universität Paderborn wurden Technikumsversuche mit MEA und mit 3-AP an
einer Absorptions/Desorptions Anlage durchgeführt. Die Anlage ermöglicht die
Aufnahme von Temperaturprofilen der Gasphase sowie von Konzentrationsprofilen
beider Phasen. Um beide Lösungsmittel vergleichen zu können, wurden die
Experimente
unter gleichen
Betriebsbedingungen
durchgeführt,
nämlich
bei
Gasbelastungen von 1 und 2 Pa0,5 und Flüssigkeitsbelastung von 10 und 20 m3/m2h.
Die Lösungsmittelkonzentration im Wasser wurde auf 20 Gew% eingestellt, während
die CO 2 -Konzentration im Gas zwischen 5 und 12 Vol% variiert wurde.
Die Ergebnisse der Technikumsversuche wurden genutzt, um die Ab- und
Desorptionseffizienz beider Amine gegenüberzustellen und somit den Einsatz von 3AP als alternatives Lösungsmittel bewerten zu können.
[1]
A.I. Papadopoulos et al.: Chemical Engineering Transactions, 39 (2014), 211-216.
Design optimization through data reconciliation
on the Rectisol process
Lucie Chaubet, Dr. Gökhan Aras, Dr. Holger Schlichting, Sophia Schmidt
Air Liquide Forschung & Entwicklung, Frankfurt am Main/Germany
Air Liquide Global E&C Solutions Germany
The Lurgi Rectisol® process is the leading technology for the purification and
conditioning of syngas downstream the gasification of coal, petcoke and oil residues.
A key to design optimization and to support to operations is having a very precise
and reliable process simulation. Several measurement campaigns at commercial
plants in operation were conducted to collect an extensive amount of process data,
including quantification of trace impurities. The raw data coming from the plants are
treated by data reconciliation to take into account the inaccuracies of the measured
data. The results are used for the validation of the process simulation model and for
fine tuning of the design tools.
The methodology of data reconciliation will be presented and the benefit on the
quality of the data will be shown.
Untersuchung fluiddynamischer Parameter in Packungskolonnen
durch Verwendung von Röntgencomputertomographie
S. Schug, W. Arlt
Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik, Universität Erlangen-Nürnberg
Das Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe verlässlicher in-situ Messungen des
Strömungsverhaltens einer oder mehrerer flüssiger Phasen in Packungskolonnen,
die Modelle für die Prozessoptimierung der Ein- und Mehrphasendestillation zu
verbessern.
Hierfür wird in dieser Arbeit die Röntgencomputertomographie als nicht-invasives
Messverfahren
eingesetzt.
verfahrenstechnische
Die
Versuche
Anwendungen
werden
ausgelegten
mit
einem
speziell
Computertomographen
für
(CT)
durchgeführt, der die Untersuchung von Strömungen in vertikalen Objekten
ermöglicht. Der Detektor und die Strahlenquelle rotieren um die feststehende
Kolonne, so dass die Strömung im Inneren nicht durch Zentrifugalkräfte beeinflusst
wird. Auf Grund der hohen örtlichen (70 μm) und zeitlichen (1000 Projektionen pro
Sekunde) Auflösung können fluiddynamische Parameter innerhalb der Packung mit
einer hohen Präzision abgebildet werden. Messwerte für die Stoffaustauschfläche,
den Flüssigkeitsinhalt, die Filmdicke der Flüssigkeit auf der Packung oder zwischen
zwei flüssigen Phasen können direkt aus den an verschiedenen Höhenpositionen
aufgenommenen CT-Bildern bestimmt werden. Für die Auswertung werden die Bilder
mittels Matlab segmentiert, so dass alle auftretenden Komponenten und Phasen in
einem spezifischen Grauwert dargestellt werden.
Erste Versuche wurden in einer DN 100 Glaskolonne mit einer Packungshöhe von
1000 mm durchgeführt. Um den Einfluss der Packungsoberfläche auf die
Fluiddynamik zu untersuchen, standen fünf verschiedene Packungstypen mit
unterschiedlich bearbeiteten Oberflächen der Firma Sulzer Chemtech AG zur
Verfügung. Für die Charakterisierung der Packungstypen sind je drei Flüssigkeiten
(Wasser, n-Heptan und Isopropanol) mit Flüssigkeitsbelastungen zwischen 5 und
50 m3 m-2 h-1 aufgegeben worden. Als weiterer Parameter wurde der Einfluss der
Verdrehung der Packungselemente zueinander bei 0° und 90° betrachtet.
Für die Darstellung des Strömungsverhaltens der Flüssigkeit auf der Packung und
der radialen Verteilung des Flüssigkeitsinhaltes wurden zudem dreidimensionale
Ansichten von kurzen Packungsabschnitten (30 mm) erzeugt.
Experimentelle Untersuchung der Flüssigkeitsmaldistribution in
Füllkörperkolonnen mit unterschiedlichen Durchmessern
Florian Hanuš1, Rainer Hoffmann2, Sebastian Rehfeldt1, Harald Klein1
1
Technische Universität München, Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik,
Garching/Deutschland; 2Linde AG, Pullach/Deutschland
Die Vorhersage der Flüssigkeitsmaldistribution in Packungskolonnen ist bisher
unzureichend, woraus hohe Sicherheitsaufschläge bei der Auslegung resultieren.
Das Phänomen Maldistribution ist Inhalt einer Vielzahl an Veröffentlichungen, wobei
jedoch die wenigsten Arbeiten Messergebnisse in Form von Rohdaten enthalten.
Diese sind jedoch notwendig, um Modelle zur Vorhersage der Flüssigkeitsmaldistribution zu entwickeln.
Im Rahmen des Projekts „Zellenmodell zur Auslegung von Packungskolonnen und
Flüssigkeitsverteilern“ wird das Phänomen der Flüssigkeitsmaldistribution an
Füllkörperkolonnen mit unterschiedlichen Durchmessern untersucht und so eine
Datenbasis zur Flüssigkeitsverteilung in Packungskolonnen erstellt.
An der Technischen Universität München werden in einer Kolonne mit 1200 mm
Durchmesser und maximalen Packungshöhen von 3 m unter Verwendung des Stoffsystems Wasser/Luft Füllkörper mit Nenngrößen von 25 bis 90 mm untersucht. Eine
zweite Kolonne bei der Linde AG in Pullach mit 440 mm Durchmesser und
Packungshöhen bis 6 m wird mit dem Stoffsystem Isohexan/Stickstoff betrieben. An
dieser Kolonne werden Füllkörper mit Nenngrößen bis 35 mm vermessen.
Die Berieselung der Füllkörperschüttungen erfolgt mit verschiedenen Aufgabeprofilen
und Flüssigkeitsverteilern. In den Kolonnen sind unterhalb der Packung Aufnahmevorrichtungen installiert. Diese Aufnahmevorrichtungen unterteilen den Strömungsquerschnitt in definierte Bereiche, in denen jeweils die Durchflussraten bestimmt
werden.
Als Ergebnis erhält man eine Vielzahl an Verteilspektren unterschiedlicher
Füllkörperschüttungen bei variierenden Betriebspunkten und Aufgabeprofilen der
Flüssigkeit. Die Verteilspektren geben Aufschluss über den Einfluss von Gas- und
Flüssigkeitsbelastung sowie der Flüssigkeitsaufgabe auf die Flüssigkeitsverteilung in
Füllkörperschüttungen. Durch Messungen an Kolonnen mit unterschiedlichen
Durchmessern wird die Übertragbarkeit von Ergebnissen aus dem Technikumsmaßstab in den industriellen Maßstab bewertet.
Untersuchungen zur Flüssigkeitsverteilung in Packungskolonnen
mithilfe von Zellenmodellen
Felix van Holt, Guanghua Zheng, Marcus Grünewald, Ruhr Universität/Lehrstuhl für
Fluidverfahrenstechnik, Bochum/Deutschland;
Füllkörper- und Packungskolonnen sind in der Verfahrenstechnik die am häufigsten
eingesetzten Apparate für Trennaufgaben. Im Rahmen der Absorption werden die
Gas- und Flüssigphase i.d.R. im Gegenstrom gefahren. Signifikanten Einfluss auf die
Betriebsparameter besitzt die Verteilung der Gas- und Flüssigphase.
Der
Wunsch
nach
hohen
Kapazitäten,
hohen
Trennleistungen,
geringen
Druckverlusten und hierdurch geringeren Kosten brachte in der Vergangenheit
zahlreiche verschiedene Einbauten mit differenten Geometrien und Materialen
hervor. Weiterhin stehen verschiedene Messverfahren zur Bestimmung der
Strömungsfläche zwischen Gas- und Flüssigphase in strukturierten Packungen oder
geordneten Schüttungen zur Verfügung.
Zur Bestimmung der Phasendistribution in Packungen und geordneten Schüttungen
kommt der Gittersensor (engl. The capacitive wire-mesh sensor. Abkürzung: WMS)
zum Einsatz, welcher im Jahre 1998 am FZD (Forschungszentrum DresdenRossendorf e.V.) entwickelt wurde. Zwei parallele Ebenen matrixförmig angeordneter
Messelemente werden in geringen Abstand (bzgl. Kolonnenhöhe) zueinander
angeordnet. Es resultiert eine matrixförmige Anordnung der Messpunkte. Die
Messung der Kapazität oder der Leitfähigkeit, zwischen den Ebenen, ermöglicht die
Phasenverteilung über den Querschnitt mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung
darzustellen.
In diesem Beitrag werden in Ergänzung zum Vortrag in 2014 weiterführende
Messungen zur Flüssigkeitsverteilung an einer DN300-Kolonne vorgestellt und
diskutiert.
Zudem wird ein Zellenmodell zur Auswertung der Verteilungsmessungen und zur
Charakterisierung der Güte der Flüssigkeitsverteilung von Packungsmaterialien
vorgestellt.
Einfluss des Neigungswinkels strukturierter Packungen auf das
Strömungsverhalten: Bewertung basierend auf tomographischen
Untersuchungen
J. Steube1, A. Janzen1, S. Aferka2, M. Crine2, P. Marchot2, D. Toye2, E.Y. Kenig1
1
2
Universität Liège, Department of Chemical Engineering, Liège/Belgien
In vielen thermischen Trennprozessen werden zur Intensivierung des Wärme- und
Stoffaustausches zwischen Gas- und Flüssigphase Kolonneneinbauten eingesetzt.
Eine effiziente Art von Kolonneneinbauten sind strukturierte Packungen, die sich
durch einen niedrigen Druckverlust und eine hohe Trennleistung auszeichnen.
Die Leistung einer Packungskolonne ist stark von der Fluiddynamik abhängig. Diese
kann jedoch nur sehr schwer experimentell untersucht werden, da Messsensoren
innerhalb einer Packung die Strömung beeinflussen würden. Im Gegensatz dazu
stellt
die
Röntgentomographie
ein
nicht
invasives
Analyseverfahren
zur
Identifizierung des Strömungsverhaltens der Flüssigkeit im Inneren von strukturierten
Packungen dar. Mit diesem Verfahren können anhand von Querschnittsbildern
typische Strömungsmuster abgebildet werden, ohne Einfluss auf die Strömung selbst
zu nehmen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Flüssigkeitsverteilung in einer DN100 Kolonne
an der Universität Liège tomographisch untersucht. Als Stoffsystem wurde WasserGlycerin gewählt, wobei die Viskosität der Flüssigkeit durch verschiedene Anteile von
Glycerin variiert wurde. Zur Untersuchung wurden die Packungen Mellapak 500.X
und MellapakPlus 752.Y verwendet. Beide Packungen haben eine spezifische
Oberfläche von 500 m²/m³, wobei der Typ X einen Neigungswinkel von 60° und der
Typ Y einen Neigungswinkel von 45° zur Horizontalen aufweisen. Mit Hilfe der
Querschnittsbilder wurden axiale Kolonnenprofile für Flüssigkeitsinhalt und effektive
Stoffaustauschfläche in beiden Packungen bestimmt. Außerdem wurden die
auftretenden Strömungsformen anhand von morphologischen Untersuchungen in
drei Kategorien aufgeteilt: Filme, Flüssigkeitszwickel an Kontaktstellen zwischen zwei
Packungslagen sowie komplett gefüllte Kanäle. Die Ergebnisse der Untersuchungen
beider Packungstypen wurden miteinander verglichen, um den Einfluss des
Neigungswinkels der Packungsbleche auf die Strömungsform zu bewerten.
Modellierung und experimentelle Analyse der Nanofiltration
uranhaltiger Wässer
Michael Hoyer, Dr. Roland Haseneder, Prof. Dr.-Ing. Jens-Uwe Repke, Institut für
Thermische Verfahrenstechnik, Umwelt- und Naturstoffverfahrenstechnik, TU
Bergakademie Freiberg, Freiberg/Deutschland
Bei der Abwasserbehandlung an den ehemaligen Uranbergbaustandorten in
Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen werden die toxischen Zielsubstanzen
aktuell durch Fällung abgetrennt [Paul2006] - Membranverfahren finden bisher keine
Anwendung. Dabei zeigt die Nanofiltration ein großes Potenzial für den Einsatz bei
der Behandlung von Bergbauwässern [Al-Zoubi2010]. Ziel dieser Untersuchungen ist
es,
das
generelle
Potential
der
Membranverfahren
bezüglich
zukünftiger
Herausforderungen an den ehemaligen Uranbergbaustandorten - insbesondere
strenger werdender Grenzwerte - aufzuzeigen. Dazu wurden verschiedene
kommerziell verfügbare NF-Membranen hinsichtlich ihres Behandlungserfolges an
realen Probenwässern, sowie an synthetischen uranhaltigen Lösungen untersucht
[Hoyer2014]. Zusammen mit einer umfassenden Membrancharakterisierung gehen
diese experimentellen Daten des Modell- und des realen Systems in eine
Modellbildung und numerische Simulation ein. Das entwickelte Modell basiert auf
dem Donnan Steric Pore and Dielectric Exclusion Modell (DSPM&DE), welches in
Matlab® realisiert wurde. Die Modellierung der Stofftransportvorgänge in den
Nanofiltrationsmembranen
zielt
auf
ein
grundlegendes
Verständnis
der
Trennmechanismen ab, die für die Uranspezies auftreten. Hieraus sollen Aussagen
zur positiven Beeinflussung der selektiven der Uranabtrennung abgeleitet werden.
Quellen:
Paul, M., Gengnagel, M. & Baacke, D. 2006, "Integrated water protection approaches
under the WISMUT project: The Ronneburg case", Uranium in the Environment:
Mining Impact and Consequences, pp. 369.
Al-Zoubi, H., Rieger, A., Steinberger, P., Pelz, W., Haseneder, R. & Härtel, G. 2010,
"Nanofiltration of acid mine drainage", Desalination and Water Treatment, vol. 21, no.
1-3, pp. 148-161.
Hoyer, M., Zabelt, D., Steudtner, R., Brendler, V., Haseneder, R. & Repke, J.-. 2014,
"Influence of speciation during membrane treatment of uranium contaminated water",
Separation and Purification Technology, vol. 132, pp. 413-421.
Energetische Betrachtung einer mehrstufigen
Vakuum-Membrandestillation bei der Aufkonzentrierung von
Salzlösungen im Sättigungsbereich
Ch. Kleffner, N. Kruse, G. Braun, Fachhochschule Köln,
Köln/Deutschland
S. Heinzl, memsys TEC AG, Grafing/Deutschland
Nicht nur aufgrund der Abhängigkeit der Prozessindustrie von verfügbaren Frischwasserressourcen, sondern auch aufgrund verschärfter behördlicher Auflagen
wächst die Forderung, das Wasserrecycling durch produktionsintegrierte Aufbereitungsprozesse zu verstärken. Die Abwasserreduktion ist auch mit ökonomischen und
energetischen Einsparpotentialen verbunden, die es gilt, durch effiziente Trennverfahren auszuschöpfen. Membranprozesse dominieren den Bereich der Abwasserreinigung und -Aufbereitung. In diesem Zusammenhang stehen, neben höheren
Permeatleistungen, auch Konzepte zur Senkung des Energieaufwands im F&EFokus.
Zur Aufbereitung von Salzlösungen bietet die Umkehrosmose eine etablierte
Methode, deren Einsatz jedoch bei höheren Konzentrationen durch den osmotischen
Druck begrenzt ist. Doch gerade dieser Anwendungsbereich ist für die Realisierung
des „Zero Liquid Discharge“ entscheidend. Die Membrandestillation bietet das Potential, diesen Herausforderungen gerecht zu werden, da Niedertemperatur-Abwärme
als Energiequelle genutzt werden kann.
In dieser Arbeit wird die Aufbereitung verschiedener Salzlösungen nahe der
Sättigung unter Anwendung der Vakuum-Multi-Effekt-Membrandestillation untersucht. Hierfür wurden Pilotversuche mit einem neuartigen, korrosionsbeständigen
Modul durchgeführt, in dem vier Effektstufen und somit eine modulinterne Rückgewinnung der Verdampfungswärme umgesetzt werden.
Unter Berücksichtigung des Einflusses leistungslimitierender Faktoren auf den
spezifischen Wärmebedarf, wird eine energetische Betrachtung des untersuchten
Systems durchgeführt. Hierbei spielen die Siedepunktserhöhung sowie die Konzentrationspolarisation eine vorrangige Rolle. Auf der Basis dieser Ergebnisse kann gezeigt werden, dass dieses neuartige Konzept eine praktikable und energieeffiziente
Umsetzung der Membrandestillation ermöglicht, sodass eine wirtschaftliche Behandlung hochkonzentrierter Feedlösungen erreicht werden kann.
Eine systematische Untersuchung zur Anwendung der
Membrandestillation in der Meerwasserentsalzung
Andrea Hagedorn, Technische Universität Hamburg-Harburg, Hamburg; Georg Fieg,
Technische Universität Hamburg-Harburg, Hamburg; Joachim Koschikowski,
Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg; Thomas Mann, MAHLE
Industriefiltration GmbH, Hamburg
Die Membrandestillation ist ein innovatives Verfahren, welches die Vorteile eines
thermischen Verfahrens mit denen eines Membranverfahrens in einem effizienten
Hybridprozess verbindet. Die potentiellen Anwendungsgebiete der Membrandestillation sind ausgesprochen vielfältig, z.B. in der chemischen Industrie oder der
Medizintechnik. Insbesondere in industriellen Prozessen, wo günstige Abwärme zur
Verfügung steht, bietet sich mit der Membrandestillation ein energieeffizientes
Verfahren, um Stoffsysteme erfolgreich zu trennen oder zu konzentrieren.
Im Rahmen einer industriellen Forschungskooperation wird die Anwendung der
Membrandestillation in der Meerwasserentsalzung umfangreich untersucht. Hierfür
wurde zunächst eine Technikumsanlage zur Entsalzung mittels Membrandestillation
an der TUHH in Betrieb genommen. Sowohl Spiralwickelmodule basierend auf der
permeat gap membrane distillation (PGMD) Konfiguration als auch der direct contact
membrane distillation (DCDM) Konfiguration können vermessen und verglichen
werden. Mit Hilfe dieser Anlage kann die Performance eines Moduls für
unterschiedliche Betriebspunkte und verschiedene Salzkonzentrationen bestimmt
werden. Die Vielzahl experimenteller Ergebnisse wurde außerdem mit einer
Simulationssoftware
validiert.
Basierend
auf
den
Erfahrungen
mit
der
Technikumsanlage wurde im nächsten Schritt eine Feldversuchsanlage konzipiert
und gebaut. Diese neue Anlage entsalzt natürliches Meerwasser im Dauerbetrieb.
Neben
Langzeiterfahrungen
soll
insbesondere
auch
das
Fouling-
und
Scalingverhalten der Module untersucht werden.
In der Präsentation werden experimentelle Ergebnisse der Technikumsanlage sowie
der Vergleich mit Simulationsergebnissen präsentiert. Des Weiteren werden
Erkenntnisse aus dem Feldversuch vorgestellt und eine Beurteilung des Verfahrens
hinsichtlich der Meerwasserentsalzung gemacht.
Entfernung von Tensiden aus organischen Lösungsmitteln durch
organophile Nanofiltration
D. Zedel, A. Drews, HTW Berlin, Verfahrenstechnik in Life Sci. Eng., Berlin
M. Kraume, TU Berlin, FG Verfahrenstechnik, Berlin
Die Entfernung von Tensiden aus organischen Lösungsmitteln ist u. a. in
mehrphasigen Reaktionsprozessen, bei denen Tenside als Lösungsvermittler
eingesetzt werden, von entscheidender Bedeutung für Produktqualität und Kosten. In
dieser Arbeit wird die organophile Nanofiltration (ONF) als potenzieller Trennprozess
für diese Aufgabe untersucht.
Die
Versuche
A eff = 38,5 cm2)
wurden
bei
mit
einer
T = 20 - 65 °C,
Dead-end
Testzelle
TMP = 15 - 35 bar
(Berghof
und
GH
400,
anfänglichen
Tensidmassenanteilen von 3 - 22 Zí durchgeführt. Es wurden drei PDMS/PAN
Kompositmembranen verwendet, die vor und nach der Filtration mittels SEM
untersucht wurden. Als Lösungsmittel wurde 1-Dodecen eingesetzt, als Tensid
Marlipal 24/70 (Molmasse § 496 g/mol). Der Tensidmassenanteil in Feed, Retentat
und Permeat wurde mittels hochgenauer Dichtemessung (Anton Paar) bestimmt.
Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass eine Abtrennung des Tensids mittels ONF
möglich ist. Es konnten Rückhalte bis zu 93% und Permeabilitäten bis zu
>2 L/(m2 h bar) erzielt werden. Für reines Dodecen korrelierten die Flüsse gut mit der
Dicke der trennaktiven Schicht der kompaktierten Membranen. Die höchsten
Rückhalte bei gleichzeitig geringsten Permeabilitäten wurden mit der 05/070
Membran erreicht, welche von den drei untersuchten Membrantypen die größte
Schichtdicke aufwies. Der Einfluss der Temperatur auf die Permeabilitäten war
umgekehrt proportional zum Einfluss der Temperatur auf die Viskosität. Erste
Modellierungsansätze konnten die experimentellen Daten gut abbilden.
Diese Arbeiten sind Teil des von der TU Berlin koordinierten SFB/Transregios 63
"Integrierte chemische Prozesse in flüssigen Mehrphasensystemen". Wir danken der
DFG für die finanzielle Unterstützung des Projektes (TRR 63) und dem HelmholtzZentrum Geesthacht für die Bereitstellung von Membranproben.
Analyse des Stofftransports bei einem Membrankontaktorverfahren
mit dichter Membran für die Biogasaufbereitung
Joachim Kerber, Jens-Uwe Repke, TU Bergakademie Freiberg, ITUN
Die Aufbereitung von Biogas zu Bioerdgas ist ein vielversprechendes Verfahren, um
fossiles Erdgas durch regeneratives Biogas zu ersetzen. Dabei hat die dafür nötige
Abtrennung von Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) aus dem Biogasstrom einen großen Einfluss
auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Die industriell eingesetzten Verfahren Druckwasserwäsche, Druckwechseladsorption
und Aminwäsche sind technologisch etabliert aber energieaufwändig.
Mit einem neuartigen Membrankontaktorverfahren mit dichter Membran kann durch
Integration eines Gaspermeations- und eines Absorptionsverfahrens in einem
Apparat die Trenneffizienz gegenüber den konventionellen Trennverfahren gesteigert
werden. In dem selbst entwickelten Membrankontaktormodul wird eine CO 2 -selektive
Gaspermeationsmembran mit einer für das Lösungsmittel impermeablen Teflon-AFBeschichtung eingesetzt.
Erste eigene experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz einer dichten
Membran in einem Membrankontaktor keinen höheren Stofftransportwiderstand
bewirkt als eine vergleichbare nichtselektive poröse Membran. Des Weiteren konnte
gezeigt werden, dass mit dem getesteten Membrankontaktor und einem geeignetem
Waschmittel eine höhere Gesamtselektivität erreicht werden kann als bei einem
reinen Gaspermeationsverfahren. Dies führt zu einer starken Reduktion der
Methanverluste bei der Aufbereitung.
Mithilfe eines experimentell validierten rigorosen Simulationsmodells kann der
Stofftransport
in
dem
Membrankontaktor
beschrieben
und
die
relevanten
Stofftransportwiderstände identifiziert werden.
Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wird der Betrieb des Kontaktors mit
verschiedenen CO 2 -selektiven Waschmitteln dargestellt und dabei der Einfluss des
Druckniveaus und des Lösemittelstroms auf den Stofftransportwiderstand und damit
auf die Trennleistung des Kontaktors genau analysiert. Die für die Aufbereitung
benötigte Membranfläche des Membrankontaktors wird anhand eines vergleichbaren
Gaspermeationsverfahrens diskutiert.
Dezentrale O 2 -Versorgung mit keramischen HochtemperaturMembranen
R. Kriegel, Fraunhofer IKTS, 07629 Hermsdorf;
Abstract
Sauerstoff wird großtechnisch über kryogene Luftzerlegung hergestellt, wobei für
energetisch hochoptimierte, sehr große Anlagen ein minimaler spezifischer
Energiebedarf von 0,36 kWh el. /Norm-m3 O 2 erreicht werden kann. Mit sinkender
Anlagengröße steigt dieser jedoch merklich an, so dass für O 2 -Bedarfsmengen unter
1000 Nm3 O 2 /h typischerweise PSA- (Pressure Swing Adsorption) und VPSAAnlagen (Vacuum PSA) eingesetzt werden. Kleine PSA-Anlagen (<100 Nm3 O 2 /h)
weisen minimale Energieverbräuche von ca. 0,9 kWh el. /Nm3 O 2 auf, erreichen jedoch
nur maximal 95 Vol.-% O 2 -Gehalt im Produktgas. Für viele O 2 -Einsatzgebiete ist
dieser Energieverbrauch gegenüber dem Nutzeffekt zu hoch. Eine Versorgung mit
Flüssigsauerstoff und Flaschengas ist i. A. bei kontinuierlichem O 2 -Bedarf noch
wesentlich teurer.
Für die Erzeugung von hochreinem Sauerstoff aus Luft können MIEC-Membranen
(MIEC - Mixed Ionic Electronic Conductor) eingesetzt werden. Die Betriebskosten
des Verfahrens werden wiederum vom spezifischen Energieverbrauch dominiert,
dieser hängt entscheidend von der Verfahrensführung und der Integration in
wärmetechnische Prozesse ab. Für eine Markteinführung spielen außerdem die
Investitionskosten eine große Rolle, gegenüber PSA- und VPSA-Anlagen sollten
vergleichbare Anlagenkosten erreicht werden.
Das Fraunhofer IKTS entwickelt ein energieeffizientes, einfaches Vakuumverfahren
zur O 2 -Membrantrennung. Der Vergleich berechneter und experimenteller Daten von
stand-alone Anlagen (Demonstratoren bzw. Prototypen) belegt, dass bereits für
kleine O 2 -Bedarfsmengen eine Halbierung des PSA-typischen Energieverbrauchs
erreicht werden kann. Die ökonomische Bewertung ergibt, dass der Kapitalbedarf für
Aufbau und Betrieb der MIEC-Membrananlagen nach wenigen Jahren (2 - 7)
denjenigen
kommerzieller
Anlagen
unterschreitet.
Durch
die
entsprechend
Kostensenkung für den dezentral erzeugten Sauerstoff eröffnen sich vielfältige
Anwendungsbereiche, zunächst insbesondere im Bereich der Kleinanwendungen
(Biomasse-Vergasung, Verbrennungsprozesse, Medizintechnik).
Einsatz von Membranverfahren zur Gasseparation für sich
ändernde Rohstoff- und Energieversorgungsszenarien
Torsten Brinkmann, Maria Grätz, Jelena Lillepärg, Heike Mushardt,
Sergey Shishatskiy,
Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Institut für Polymerforschung,
Geesthacht/Deutschland
In den kommenden Jahren wird sich die Rohstoffbasis für die Energieerzeugung und
für die chemische Industrie grundlegend ändern. Es ist absehbar, dass gasförmige
Einsatzströme eine größere Rolle spielen werden. Neben Erdgas werden nicht
konventionelle
Gasvorkommen
sowie
Biogas
und
Produktgase
aus
der
Biomassenvergasung an Bedeutung gewinnen. Für die Aufbereitung dieser
Gasgemische auf die für den weiteren Einsatz geforderten Qualitäten sowie für die
Fraktionierung der unter Verwendung der Gase erzeugten Produktströme kann das
Membranverfahren Gaspermeation, auch in Hybridkonfigurationen mit anderen
Grundoperationen, eine wesentliche Rolle spielen.
Membranmaterialien, welche zum Einsatz kommen könnten und teilweise bereits
eingesetzt werden sind Blockcopolymere, die Polyethylenoxid als CO 2 -selektiven
Block enthalten, Polyimide, die je nach Zusammensetzung des Einsatzgases für die
Abtrennung von Wasserstoff oder CO 2 eingesetzt werden können und silikonbasierte
Polymere für die Abtrennung gasförmiger, höherer Kohlenwasserstoffe.
In diesem Beitrag wird der mögliche Einsatz dieser Membranverfahren am Beispiel
einer Verfahrensauslegung für einen Fischer-Tropsch Prozess gezeigt, welcher als
Einsatzgas das Produkt einer Biomassenvergasung verwendet. Um einen möglichst
hohen
Umsatz
der
Edukte
und
eine
hohe
Ausbeute
der
gewünschten
Kohlenwasserstoffe zu erreichen, muss das Verhältnis der Edukte durch die
Abtrennung von überschüssigem CO 2 eingestellt werden. Die Reaktionsprodukte
werden durch eine Sequenz von Membranverfahren aufbereitet, welche den nicht
umgesetzten Wasserstoff für die Rezirkulation zum Einsatzgas abtrennen, eine
Vorfraktionierung der erzeugten Kohlenwasserstofffraktionen vornehmen sowie CO 2
und Wasser aus dem Prozess ausschleusen. Die Einsatzbereiche der verwendeten
Membranen werden hinsichtlich Druck, Temperatur und Zusammensetzung anhand
vorhandener experimenteller Charakterisierungen im Labor- und Pilotmaßstab
vorgestellt.
Ein neues Flachmembranmodulkonzept für die Gasseparation
Torsten Brinkmann, Jan Wind, Heiko Notzke, Thorsten Wolff, Helmholtz-Zentrum
Geesthacht, Institut für Polymerforschung, Geesthacht/Deutschland
Sebastian Luhr, Li Zhao, Forschungszentrum Jülich, Institut für Energie- und
Klimaforschung (IEK-3), Jülich/Deutschland
In den letzten Jahren wurde eine neue Generation von Hochflussmembranen für die
Gasseparation entwickelt. Diese Entwicklungen zielen unter anderem auf Einsätze
im Bereich der erneuerbaren Energien und auf die Abtrennung klimaschädlicher
Komponenten aus gasförmigen Emissionen. Ein Beispiel ist die Abtrennung von CO 2
aus Kraftwerksrauchgasen. Um die hierbei auftretenden großen Gasströme mit
einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand aufbereiten zu können, sind neue
Membranmodulkonzepte erforderlich, welche die intrinsischen Eigenschaften der
neuentwickelten Hochflussmembranen möglichst verlustfrei in die praktische
Anwendung überführen. In dem hier vorgestellten Modulkonzept wird das die
Triebkraft maximierende Gegenstromprinzip unter Berücksichtigung tolerierbarer
permeatseitiger Druckverluste umgesetzt. Neben diesen Aspekten war ein
wesentlicher Punkt bei der Entwicklung des Konzepts die Möglichkeit einer einfachen
und
kostengünstigen
Hochskalierung
der
Membranmodule.
Diese
können
entsprechend große Membranflächen enthalten und sind für den Einsatz mit bei
Umgebungsdruck
vorliegenden
Einsatzgasen
und
vakuumunterstützter
Permeatabfuhr optimiert.
In diesem Beitrag wird die gesamte Entwicklung des Modultyps vorgestellt. Diese
umfasst die verfahrenstechnische Bewertung des Konzepts im Vergleich zu anderen
Modultypen mit Hilfe des gleichungsorientieren Prozesssimulators Aspen Custom
Modeler® und die darauf basierende Erstellung erster Konstruktionsentwürfe. Die
Verfeinerung dieser Entwürfe erfolgte mit dem CFD Programm Fluent®. Hierbei
wurde neben der optimierten Strömungsführung über die Membranen auch das Einund Auslaufverhalten gezielt untersucht, um eine gleichmäßige Strömungsverteilung
über die Membranflächen zu erzielen und Bypass-Strömungen zu vermeiden. Die so
optimierte Konstruktion wurde in Fertigungszeichnungen für einen Prototypen
umgesetzt.
Es
ist
Pilotierungsergebnisse
geplant,
erste,
vorzustellen.
Das
mit
diesem
untersuchte
wasserdampfgesättigter Strom aus CO 2 und Stickstoff sein.
Prototypen
Gemisch
erzielte
wird
ein
Charakterisierung des Stofftransportes bei der Hochdrucktrennung
von Gasgemischen mit Kohlenstoffmembranen
N. Kruse, Y. Schießer, G. Braun, Fachhochschule Köln, Köln/Deutschland
S. Kämnitz, H. Richter, I. Voigt, Fraunhofer IKTS, Hermsdorf/Deutschland
J. U. Repke, TU Bergakademie Freiberg, Freiberg/Deutschland
Gastrennung mittels Kohlenstoffmembranen wird bereits seit Jahrzehnten im
Rahmen der Membranforschung untersucht. Ein wichtiges Alleinstellungsmerkmal
dieser Membranen ist ihre hohe Druck- und Temperaturstabilität, die auch die vergleichsweise hohen Kosten rechtfertigen kann. Selbst der Einsatz bei Drücken jenseits von 10 MPa und Temperaturen von über 400 K lässt sich mit Kohlenstoffmembranen realisieren. Damit wird die Möglichkeit eröffnet, Gemischkomponenten unter
extremen Prozessbedingungen abtrennen zu können.
Obwohl Kohlenstoffmembranen die erforderlichen Eigenschaften für den Einsatz unter Hochdruckbedingungen aufweisen, liegen bisher kaum Veröffentlichungen
zur Untersuchung ihres Trennverhaltens oberhalb weniger MPa vor. Auch die etablierten Stofftransportmodelle zur Beschreibung von porösen bzw. adsorptionsselektiven Membranen bilden die Messergebnisse für hohe Drücke nicht zufriedenstellend
ab.
Im Rahmen dieser Arbeit wird das Verhalten von Kohlenstoffmembranen bei
Drücken von bis zu 20 MPa und Temperaturen bis 450 K betrachtet. Die untersuchten Membranen wurden vom Fraunhofer IKTS/Hermsdorf entwickelt und gefertigt.
Vermessen wurden CO 2 -Mischungen mit Helium und Stickstoff bei
Transmembrandrücken bis 7 MPa. Bei konstantem Druck zeigen die Messergebnisse einen Anstieg der Permeanz und der Selektivität mit zunehmender Temperatur.
Für ein äquimolares Gemisch aus CO 2 und Stickstoff wurde bei 450 K und einem
Transmembrandruck von 7 MPa ein Trennfaktor von 2 gemessen. Ziel dieser Arbeit
ist es, ein umfassendes Verständnis für die Transportphänomene bei Hochdruckbedingungen zu erlangen. Dafür ist die Entwicklung eines neuen Transportmodelles
erforderlich, das Porenabmessungen in der Größenordnung des molekularen Wirkungsquerschnitts abbilden kann. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse soll dies
durch ein teilempirisches Modell realisiert werden, welches die zwischen Fluid und
Membran sowie zwischen den Gemischkomponenten vorhandenen Wechselwirkungen einbezieht.
Molecular sieve membranes made from MOFs –
Lab curiosity or bright industrial future?
J. Caro, Leibniz Universität Hannover
Metal-organic frameworks, called MOFs, are crystalline porous materials composed of metal
ions or metal oxide clusters bridged by organic linking groups. Since certain MOFs show a
permanent porosity and a reasonable stability such as the MOF subfamily zeolitic imidazolate
frameworks (ZIFs), the potential application fields of MOFs are similar like the application of
zeolites such as gas storage, separation by adsorption, heterogeneous catalysis. Consequently,
also MOFs have been evaluated as a supported μm-sized membrane layer in gas separation.
Different to zeolite membranes, in the last few years several low-temperature synthesis
methods for MOF layers on organic substrates have been developed.
1. If a porous support separates an aqueous and an organic solvent, one of the solvents
contains the metal ion, the other the linker molecule, then a MOF layer forms at the
contact zone polymer support – aqueous solvent [1,2] or inorganic support – organic
solvent [3]. Recently, a concept for a scalable and inexpensive MOF membranes in
polymeric hollow fibers has been developed [4].
2. In the layer-by-layer deposition technique [5], a support is repeatedly dipped into a
solvent containing metal ions or linker molecules with a washing step in-between.
The epitaxially grown MOF films are also called SURMOFs [6]. Following this
procedure, gas selective membranes can be obtained [7].
3. MOF layers can be even prepared by spraying a linker solution and a metal solution
simultaneously on a support [8]. However, so far no dense MOF membrane could be
formed by this method.
However, such a supported MOF membrane on a porous ceramic or metal support is difficult
to prepare and to scale up. Therefore, the idea was born to combine the molecular sieving and
adsorption properties of zeolites or MOFs with the excellent processing properties of
polymers by mixing (nano) particles of a zeolite or MOF with a traditional polymer, called
Mixed Matrix Membranes (MMM). For the membrane processing established technologies
such as hollow fiber spinning or foil casting can be used.
b)
Supported MOF membrane (left), MMM of nano-ZIF-8 in matrimid (right)
MMM are most effective if nano-sheets are incorporated into the polymer as shown
schematically below. Some molecules go the short way through the membrane by passing the
porous sheets; other molecules cannot since they are too bulky and therefore they have to go
the long tortuosity way around the sheets through the neat polymer.
Permeation of methane (critical diameter 3.8 Å) and carbon
dioxide (critical diameter 3.3Å) separation through a mixed
matrix membrane that consists of oriented exfoliated MOF or
zeolite layers with a pore size between 3.3 and 3.8 Å embedded
in a polymer [9].
Just recently, two papers on the synthesis of MOF nano-sheets for MMM appeared. In a
Dutch paper a bottom up concept is followed: single exfoliated MOF layers are formed in the
contact zone of a linker and a metal solution followed by sedimentation [10]. In the Chinese
paper a top down strategy is used: A two-dimensional MOF is exfoliated by first wet ballmilling followed by exfoliation in a solvent under ultra-sonication [11].By the sophisticated
processing technology, a brick-layer structure of the MOF sheets is formed which is crucial
for gas transport through a polymer membrane containing selectively permeable flakes as for
the first time proposed in ref. [12].
The progress and the problems of preparing MOF membranes is reported in [13].
1
J. Yao, D. Dong, D. Li, L. He, G. Xu, H. Wang, Chem. Commun., 2011, 47, 2559-2561.
A.J. Brown, J.R. Johnson, M.E. Lydon, W.J. Koros, C.W. Jones, S. Nair, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 124,
10767-10770.
3
H.T. Kwon, H.-K. Jeong, J. Amer. Chem. Soc., 2013, 135, 10763-10768.
4
A.J. Brown, N.A. Brunelli, K. Eum, F. Rashidi, J.R. Johnson, W.J. Koros, C.W. Jones, S. Nair, Science, 2014,
345, 72-75.
5
D. Zacher, O. Shekhah, C,. Wöll, R.A. Fischer, Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 1418-1429.
6
L. Heinke, Z. Gu, C. Wöll, Nature Commun., 2014, 5:4562.
7
A. Betard, H. Bux, S. Henke, D. Zacher, J. Caro, R.A. Fischer, Micropor. Mesopor. Mater., 2012, 150, 76-82.
8
H.K. Arslan, O. Shekhah, J. Wohlgemuth, M. Franzgreb, R.A. Fischer, C. Wöll, Adv. Funct. Mater., 2011, 21,
4228-4231.
2
9
Courtesy of J. Gascon, TU Delft
10
T. Rodenas, I. Luz, G. Prieto, B. Seoane, H. Miro, A. Corma, F. Kateijn, F.X.L. I Xamena, J. Gascon, Nature
Mater., 2014, DOI10.1038/NMAT 4113
11
Y. Peng, Y. Li, Y. Ban, H. Jin, W. Jiao, X. Liu, W. Yang, Science, 2014, DOI10.1126/science.1254227
12
E.L. Cussler, J. Membr. Sci., 1990, 52, 275-288.
13
J. Caro, Curr. Opin. Chem. Engin., 2011, 1, 77-83.
Rückblick auf 40 Jahre Entwicklung von Gitterfüllkörpern
Prof. Dr.-Ing. -0DüNRZLDN
ENVIMAC Engineering, 46149 Oberhausen, Im Erlengrund 27
Zusammenfassung
In der Trenntechnik werden seit rund 40 Jahren zunehmend Füllkörper mit gitterartiger Struktur vorwiegend aus Kunststoff und Metall sowie auch Keramik meist im
Durchmesserbereich von 15 bis 90 mm eingesetzt. Diese Gitterfüllkörper haben in
den letzten Dekaden neben den strukturierten Packungen eine rasante Entwicklung
erfahren und haben einen festen Platz in der Trenntechnik als Kolonnenfüllung in der
Prozesstechnik, chemischer Industrie, Gasbelastung und in der Umwelttechnik.
Diese Entwicklung begann in Deutschland Mitte der siebziger Jahre des 20 Jahrhunderts mit dem Nor-Pac –Füllkörper als Ergebnis der Zusammenarbeit zwischen den
mittelständische Unternehmen und dem Lehrstuhl für Thermo-und Fluiddynamik der
Ruhr-Universität Bochum.
Im Beitrag wird berichtet, wie es zu der Entwicklung kam und wie daraufhin die weiteren Gitterfüllkörper der dritten Generation entwickelt wurden und heute den Markt
erobert haben, so dass sie heute als Standardfüllkörper gelten.
In der Zeit wurden auch standardisierte Versuchsprogramme entwickelt, die nach
dem Abarbeiten eines Versuchsprogrammes und Auswertung der Messergebnisse
eine schnelle Bewertung der Leistungsdaten untersuchter Füllkörper erlaubten sowie
einen objektiven Vergleich unter den einzelnen Gitterfüllkörpern. Diese Vorgehensweise hat sich in der Versuchstechnik durchgesetzt und wird auch bis heute bei den
Tests verwendet. Somit wurde die Versuchszeit deutlich reduziert und dadurch wurde die Reduzierung der Entwicklungskosten für die einzelnen Füllkörperhersteller
erzielt.
In der Zeit wurden außer in dem experimentellen Bereich enorme Fortschritte bei der
Modellierung der Fluiddynamik und des Stoffaustausches erreicht. Dadurch konnten
die Auslegungsunterlagen von sämtlichen Füllkörperformen verbessert bzw. verfeinert werden, was auch zur einheitlichen Beschreibung der Fluiddynamik und des
Stoffaustausches von Füllkörpern beigetragen hat.
Modifizierung des Billet und Schultes-Modells zur hydraulischen
Modellierung von Füllkörpern und Packungen
Verena Wolf, Markus Lehner, Montanuniversität Leoben, Leoben/Österreich;
Karin Hoffmann, RVT Process Equipment GmbH, Steinwiesen/Deutschland
Wenn neue Packungen entwickelt und in den Markt eingeführt werden, ist eine
zuverlässige Vorausberechnung ihrer Eigenschaften schwer durchführbar, da der
Einfluss aller geometrischen Eigenschaften von den bekannten Korrelationen nicht
universell berücksichtigt werden können. Aus diesem Grund sind die vorhandenen
Modelle zur Berechnung der Fluiddynamik-Eigenschaften nur für die Packungen
gültig, für welche diese Modelle validiert wurden.
Damit eine neu entwickelte Packung auch für die unterschiedlichsten Einsatzgebiete
dimensioniert werden kann, muss eine zuverlässige Vorausberechnung der
hydraulischen Eigenschaften möglich sein. Hierfür wurden die folgenden Modelle
bezüglich ihrer Eignung untersucht, eine neuartige Gitterstrukturpackung, welche
sowohl Eigenschaften von strukturierten Packungen als auch von regellosen
Füllkörpern besitzt, zu modellieren: SRP-Modell, Delft-Modell, NNA-Modell von Piché
et al., Billet und Schultes-0RGHOO 0DüNRZLDN-Modell und Stichlmair-Engel-Modell.
Keines dieser Modelle ist in der Lage, die Fluiddynamik-Eigenschaften dieser
Gitterstrukturpackung
zufriedenstellend
abzubilden.
Die
deutlich
besten
Modellierungsergebnisse wurden jedoch mit dem Billet und Schultes-Modell erzielt.
Aus diesem Grund und da dieses Modell sowohl für Füllkörper als auch Packungen
anwendbar ist, wurde es einer genaueren Betrachtung unterzogen. Durch eine relativ
einfache, aber physikalisch begründete Modifikation des Billet und Schultes-Modells
kann eine gute hydraulische Modellierung der Gitterstrukturpackung erreicht werden.
Darüber
hinaus
wird
Füllkörpern/Packungen
gezeigt,
zu
einer
dass
diese
Anpassung
verbesserten
auch
Modellierbarkeit
bei
des
weiteren
nassen
Druckverlustes führt und darüber hinaus der Gültigkeitsbereich des Billet und
Schultes-Modells von 0,61 – 60 m3/(m2*h) auf bis zu 120 m3/(m2*h) für die
Druckverlustberechnung erweitert werden kann.
Biokatalytische Reaktivrektifikation: In-situ Beschichtung von
strukturierten Packungen mit biokatalytischen Überzügen
Rene Heils1, Steffen Kühn2, Andreas Liese2, Irina Smirnova1;
1
Institut für Thermische Verfahrenstechnik, 2Institut für Technische Biokatalyse,
Technische Universität Hamburg-Harburg
Die
simultane
Durchführung von
Reaktion
und
Produktabtrennung in
der
Reaktivrektifikation ermöglicht sowohl eine Einsparung von Grundoperationen als
auch eine Steigerung von Umsatz und Selektivität. Der Vorteil von integrativen
Trennverfahren
kann
auch
für
enzymatische
Reaktionen
genutzt
werden,
insbesondere wenn eine Gleichgewichtslimitierung oder eine Produktinhibierung
vorliegt. Die Herausforderung liegt dabei in der stabilen Einbringung des
Biokatalysators in die Rektifikationskolonne.
In vorangegangenen Arbeiten konnte bereits ein poröser
Silika-basierter
Überzug
für
strukturierte
Packungen
entwickelt werden 1, mit dem Lipasen erfolgreich in einer
Reaktivrektifikationskolonne
(s. Abb. 1).
wurde
Mit
dann
den
eingebracht
biokatalytischen
erstmals
Reaktivrektifikation
eine
in
einer
werden
können
Strukturpackungen
diskontinuierlichen
enantioselektive
Enzymreaktion
durchgeführt (Kinetische Racematspaltung von 2-(R/S)Pentanol). Durch Abzug des leichtsiedenen Produkts kann
das
Reaktionsgleichgewicht
zugunsten
des
Abb. 1 - Packung mit
biokatalytischem Überzug
entstehenden
chiralen
Produkts
einer
Beschichtung
verschoben werden.
In
dieser
Arbeit
Strukturpackungen
sollen
mit
die
Möglichkeiten
biokatalytischem
Überzug
in-situ
vorgestellt
werden.
der
Bei
Deaktivierung des Biokatalysators kann der enzymhaltige Überzug in der Kolonne
abgewaschen und erneut aufgetragen, ohne die Packungen auszubauen. Trotz der
Instabilität des Biokatalysators sollen so die Standzeiten der Kolonne erhöht und der
kostenintensive Aus- und Einbau der Packungen vermieden werden.
1
Smirnova, I.; Liese, A.; Fieg, G.; Hilterhaus, L.; Bubenheim, P.; Sont, A.; 2011, Patent DE 102010 028788 A1
Systematische Herleitung von Anwendungsbereichen
für reaktive Trennwandkolonnen
M. Schröder, C. Ehlers, G. Fieg, Technische Universität Hamburg-Harburg,
Hamburg/Deutschland
Effizienzsteigerung durch Prozessintensivierung ist ein wichtiges Instrument im
zunehmenden Wettbewerb der chemischen Industrie. Eine Möglichkeit zur
Prozessintensivierung
stellt
die
räumliche
und
zeitliche
Integration
von
Grundoperationen in einem Apparat dar. Sowohl die Reaktivrektifikation (RR) als
auch die Trennwandkolonne (TWK) sind Vertreter einer solchen Prozessintegration
und ermöglichen erhebliche Einsparungen von Investitionen und Betriebskosten.
Diese beiden Apparate können zur reaktiven Trennwandkolonne (RTWK) weiter
zusammengefasst
und
somit
weitere
Einsparungen
realisiert
werden.
Die
(mehrfache) Überlagerung von Reaktions- und Trennoperationen resultiert in einem
komplexen Prozessverhalten, welches das Prozessverständnis sowie die Ermittlung
vorteilhafter Anwendungsbereiche erschweren.
Insgesamt gehört die RTWK zu den noch wenig erforschten Apparaten in der
Verfahrenstechnik. In der Literatur zur reaktiven Trennwandkolonne wurde bisher
anhand einzelner Anwendungsbeispiele die Vorteilhaftigkeit dieses Verfahrens
aufgezeigt. Dabei wurden jedoch nur sehr vage Hinweise veröffentlicht, in welchen
konkreten Fällen die Anwendung dieses hochintegrierten Apparates in der
industriellen
Praxis
Prozessalternativen
prinzipiell
erwarten
Vorteile
lässt.
gegenüber
Gegenstand
der
weniger
hier
integrierten
präsentierten
Untersuchungen ist daher eine systematische Herleitung von Anwendungsbereichen
der RTWK auf Basis prinzipieller Betrachtungen und Erkenntnisse. Die so
identifizierten Anwendungsbereiche werden anschließend mithilfe aufwendiger
numerischer Untersuchungen mit weniger integrierten Alternativen verglichen und so
validiert.
Im Rahmen dieser Präsentation wird zunächst die Methodik zur systematischen
Herleitung von Anwendungsbereichen der RTWK vorgestellt. Darüber hinaus wird
eine so identifizierte Klasse von wirtschaftlich vorteilhaften Anwendungsfällen
präsentiert. Abschließend wird die Validierung dieser Ergebnisse anhand einer
umfangreichen Simulationsstudie gezeigt und diskutiert.
A New Application of Dividing-Wall Columns for the Separation of
Middle-boiling Impurities
Dr. Luca Cameretti, Dr. Daniel Demicoli, Ralf Meier
Evonik Industries AG, Marl, Germany
Abstract
There is growing interest in dividing-wall column (DWC) technology,
which simplicity is at the heart of its appeal. Compared to
conventional multicolumn arrangements a DWC can generate capital
cost savings of up to 40% simply because less equipment is
required. With their greater thermodynamic efficiency, dividing-wall
columns can also reduce operating costs by around 30%.[1] The
actual savings that can be realized will depend on the specific
application.
In general, the use of DWCs is recommended for multicomponent
liquid mixtures that are to be separated into at least three fractions
with high purity requirements. Further, DWCs are especially
favorable for the separation of small quantities of light and heavy
boilers from the main middle-boiling product.[2,3]
In the presented case a modified DWC is applied to the distillation of
a feed containing less than 1% of a middle-boiling impurity into a
pure light-boiling and a pure heavy-boiling fraction, while the impurity
is concentrated up to 35% in the side-stream. This allows a drastic
reduction of product loss in the purge stream compared to the
application of a simple side-stream column.
Experiments at pilot scale have confirmed simulation results
revealing a new opportunity to profit from the vertical wall inside the
distillation column.
Keywords
Distillation,
simulation
dividing-wall
column,
multicomponent
separation,
1. Introduction
Albeit the fact that distillation is one of the most ancient techniques to separate
multicomponent mixtures, research is still done in order to tease out the last
percentages of cost saving potential. One big step was surely achieved by a better
heat management. Although the idea of heat coupling is known at least since the
1930s, Petlyuk et al. widely introduced the separation of a three-component system
in a coupled setup of prefractionator and main column in the mid 1960s.[2,4]
Subsequent development by Kaibel[5] has led to the first technically used dividing-wall
columns (DWC), where prefractionator and main column are combined in one shell.
The principle and many variations of DWCs have already been dealt with in literature.
Dejanović et al.[2] and Yildirim et al.[6] give excellent reviews on state-of-the-art and
current activities. They and the cited authors show different setups containing one or
more dividing walls positioned at the top, the bottom, or in the middle of the column in
order to achieve pure products out of a multicomponent feed. All dividing-wall
columns shown in the literature have at least one common packed section, i.e. a
section without dividing wall. Further, in most of the examples given, the middleboiling fraction predominates the feed composition.
In the presented case a pseudo three-component feed containing less than 1% of
middle-boiler has to be separated into pure top product and pure bottom product. The
middle-boiler has to be concentrated in the side-stream which will then be discarded.
The challenge lies in the fact that top product and heavy-boiler are already narrow
boiling (D ~ 1.4 – 2.4). Furthermore, the vapor pressure curves of light-boiler and
middle-boiler are very close to each other (dT < 5K); the phase equilibrium reveals
also an azeotropic behavior.
2. Results and discussion
The following sections show the steps to the final design of the dividing-wall column
suitable for the separation of small quantities of middle-boiler from a narrow-boiling
mixture. For facilitating the reading abbreviations will be used for the light-boiler (LB),
the middle-boiler (MB), and the heavy-boiler (HB), respectively.
2.1 The classical separation sequence
There are three classical separation sequences for a mixture of three components:
the direct, the indirect, and the sloppy configuration, respectively, shown in Figure 1.
a)
LB
MB
b)
LB
c)
LB
LB/MB
2
LB/MB/HB
LB/MB/HB
MB/HB
1
2
LB/MB/HB
1
LB/MB
2
1
MB
3
HB
HB
MB
MB/HB
HB
Figure 1: a) direct, b) indirect, and c) sloppy distillation sequence for the separation of a threecomponent mixture LB/MB/HB.
Reflux
ratio
Reflux
ratio
Due to the prevailing phase equilibria
99%
mentioned above, the indirect path
11
20
99%
appears to be more suitable at first
sight. The theoretical number of
90%
stages for column 1 and 2 were
[7-9]
95%
95%
4
1
estimated using the DSTWU
model.
The
typical
correlation
35
70
50
100
nth
nth
between reflux ratio and number of
Figure
2:
Reflux
ratio
vs.
theoretical
number
of
stages
for
stages for different recovery rates of
a) LB/HB separation with a recovery of 99% and 95% of
LB are shown in Figure 2. The plots LB and 0.1% of HB in the distillate; b) in analogy for the
make clear that especially for the separation of LB/MB.
second separation of LB and MB in
the second column a very high separating capacity is needed leading to high
investment (size of the column) and operating expenses (reboiler and condenser
duties). Another drawback is the loss of LB in the MB fraction. Hence, a classical
separation sequence is economically not feasible.
2.2 Combination of side-stream columns
The next evolution step is to use side-stream columns. The obvious advantage of a
side-stream column is that it combines two columns in one shell, hence reducing
investment costs. However, a single side-stream column in the presented case will
only be able to concentrate the MB up to a decently high fraction in the side-stream
leading to big apparatus dimensions, high reflux ratios – and hence high energy
consumption – or high product loss. This is shown in Table 1.
SSC
DWC
LHS / RHS
99,91%
99,88%
MB
0,09%
0,09%
HB
< 1 ppm
0,02%
LB
0,10%
0,10%
MB
0,14%
0,14%
HB
99,76%
99,76%
mass fractions
distillate
LB
sump
side draw
LB
50,87%
37,39% / 50,27%
MB
22,80%
10,38% / 34,37%
HB
26,26%
52,23% / 15,34%
0,68%
0,30%
10,6
3,6 / 164
recovery loss (LB and HB)
reflux ratio
condenser duty
100%
59%
reboiler duty
100%
56%
cross sectional area
100%
86%
packing height
100%
100%
column size
Table 1: Calculations for single side-stream column (SSC) and DWC performed with a feed containing
0.3% MB. LHS and RHS mean left-hand side and right-hand side of the DWC, respectively.
In order to minimize loss of LB and HB and and at the same time decrease energy
consumption, in a first side-stream column LB and HB are separated as top and
bottom products, respectively, while MB is concentrated inside the column. This is
done at moderate reflux ratios, high enough to obtain pure LB. The MB peak is
tapped by a side-stream which then will still contain a high amount of valuable LB
and HB. This side-stream is fed to a second side-stream column which basically has
the same separation task as the first one: it separates pure LB as top product,
concentrates the MB in the side-stream, and returns HB without LB. The advantage,
though, is that since the feed stream is much lower than for the first column, very
high reflux ratios and hence higher MB concentrations can be achieved at low cost.
The column arrangement is shown in Figure 3a.
a)
to vacuum
system
to vacuum
system
b)
to vacuum
system
LB
LB
LB
LB/MB/HB
LB/
MB/HB
LB/MB/HB
LB/MB/HB
HB
LB/
MB/HB
HB
LB/MB/HB
HB
Figure 3: a) Setup of two side-stream columns for the removal of MB; b) Analogous setup designed as
DWC with pump-around from the left-hand side to the right-hand side.
2.3 Dividing-wall column (DWC)
The obtained combination of two side-stream columns can be further optimized,
especially concerning investment costs. Since both columns produce high-purity
products LB and HB, they can share just one condenser and one reboiler. In addition,
they can be combined in a common shell. This leads to a dividing-wall column with a
wall from the bottom to the top stage. The withdrawal from the first to the second
side-stream column is then designed as a pump-around from the left-hand side
(LHS) to the right-hand side (RHS) of the DWC. The setup is schematically shown in
Figure 3b.
2.3.1 Experimental setup and simulation
Optimization of the DWC design was performed by simulation with ASPEN® PLUS
using the RADFRAC model. The model was validated by an experiment. Two packed
side-stream columns in DN80 (LHS) and DN50 (RHS), respectively, and both
equipped with condenser and reboiler were built up in the laboratory and connected
as sketched in Figure 3a. The internal concentration profiles were sampled by
withdrawing either liquid or vapor phase from the columns. All samples were
analyzed by gas chromatography.
The temperature profile was also measured. Albeit heat-loss was compensated by
electric heat tracing, “wild” condensation inside the columns still occurred. The
amount of heat loss was estimated measuring the amount of reflux at the bottom of
the column and subtracting the feed stream and the reflux at the top of the column.
Multiplying the resulting “wild” reflux with a mean heat of vaporization of 320 kJ/kg
the heat loss was obtained for consideration in the simulation. The feed contained
two middle-boiling components MB 1 (0.5 w%) and MB 2 (0.5 w%).
In order to properly map the experiment into the model, for the LHS the (simulated)
amount of distillate was varied until matching the measured LB concentration in the
side-stream. For the RHS the mass balance was tuned until the simulated LB
concentration in the sump corresponded to the measured one. The heat loss
(W/stage) was adjusted until the simulated temperature profiles matched the
measured ones. These adjustments are necessary since measurement of mass flux
is affected by error which would distort the simulation results.
Figure 5 demonstrates the good agreement between measured and calculated
profiles for one chosen operating point (see Table 2 for parameters). Simulation
overestimates the MB peak concentrations. However, calculated LB and HB
concentrations are very well aligned with the analyzed samples. This indicates that
phase equilibria are calculated well although thermodynamic properties of MB 1 and
MB 2 are not modeled properly enough. The kinks in the LB and HB concentration
profiles of the LHS column indicate a sub-optimal feed-stage location. Unfortunately,
the withdrawal of the side-stream in the RHS is located too high. This is due to
edificial constraints in the laboratory which did not allow positioning the withdrawal at
the optimal position. Further, the bottom product contains too much LB. The mass
balance of the RHS should have been shifted towards more distillate. This would also
have led to a higher MB concentration in the side-stream of the RHS.
Although operating point and withdrawal stages are not optimally chosen, the
experiment clearly shows that the concept of using a sequence of two side-stream
columns leads to an almost 20-fold concentration of MB in the RHS column
compared to the feed. The ASPEN model could be fairly validated giving the
possibility of in silico optimization of the DWC setup.
DN 80 (LHS)
feed
Experiment
ASPEN
2 kg/h
2 kg/h
side-stream
1.12 kg/h
0.1 kg/h
1.16 kg/h
0.1 kg/h
reflux
4.48 kg/h
reflux ratio (at top)
measured reflux
4
17.1 kg/h
"w ild" reflux
10.62 kg/h
disitllate
heat loss
~ 944 W
3.86
16.5 kg/h
stage 1-40: 450 W
~ 12.6 W/stage stage 41-75: 450 W
DN 50 (RHS)
Experiment
ASPEN
feed
0.1 kg/h
0.1 kg/h
disitllate
side-stream
0.04 kg/h
0.01 kg/h
0.04 kg/h
0.01 kg/h
reflux
1.32 kg/h
reflux ratio (at top)
measured reflux
33
7.36 kg/h
"w ild" reflux
5.94 kg/h
heat loss
33
7.6 kg/h
~ 530 W
stage 1-40: 400 W
~ 7 W/stage
stage 41-75: 200 W
Table 2: Parameters of the experimental setup
and equivalent simulation.
Figure 5: Simulated concentration profiles (solid
lines: liquid phase; dashed lines: vapor phase)
compared to analytics (markers) and temperature
profiles of the LHS (above) and RHS (below)
columns, respectively. Magenta: LB; green: MB
1; orange: MB 2; purple: HB.
2.3.2 Design of large-scale DWC
Using the experimentally validated ASPEN model, a large-scale DWC for the
separation of a feed as given in Table 1 (right column) was designed. Several case
studies were performed to find the optimal pump-around flux, withdrawal, and feed
position as well as the amount of purge stream in order to meet the expected top
product quality while minimizing product loss. The acentric position of the dividingwall is given by the ratio of the LHS and RHS diameters with the constraint that the
pressure drop on both sides must coincide.
That the DWC has a clear advantage on the single side-stream column becomes
clear in Table 1. Although combining two columns in one shell, the DWC can be
designed with a cross-sectional area 14% smaller than a single side-stream column.
Energy consumption is decreased by more than 40%. Product loss is halved
because the middle-boiler is concentrated one and a half times more in the DWC
than in the single side-stream column. Further the amount of purge is also decreased
by almost 50%.
3. Conclusions
A dividing-wall column (DWC) with a pump-around stream from the left-hand to the
right-hand side represents a cost-saving alternative to a single side-stream column in
order to remove small amounts (<1%) of middle-boiling impurities from a narrowboiling mixture. Experimental results of a pseudo three-component feed distillation in
two coupled side-stream columns – the equivalent setup to the presented DWC –
could be modeled with good accuracy providing the basis for further optimization of
the column design.
Following the approaches for the separation of mixtures containing more than three
components in multi-partition wall DWCs (see e.g. ref. [10]) setups with several pumparounds from one partition to another could be the focus of further research.
References
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
N. Asprion, G. Kaibel; Chem. Eng. Process, 49; 2010, pp. 139-146
I. Dejanović, Lj. Matijašević, Ž. Olujić; Chem. Eng. Process, 49; 2010, pp. 559-580
G. Niggemann, C. Hiller, G. Fieg; Ind. Eng. Chem. Res., 49; 2010, pp. 6566-6577
F.B. Petlyuk, V.M. Platonov, D.M. Slavinskij; Int. Chem. Eng., 5(3); 1965, pp. 555-561
G. Kaibel; Chem. Eng. Tech., 10(1); 1987, pp. 92-98
Ö. Yildirim, A.A. Kiss, E.Y. Kenig; Sep. Purif. Technol., 80; 2011, pp. 403-417
E.R. Gilliland; Ind. Eng. Chem., 32; 1940, pp. 1220-1223
A.J.V. Underwood; Trans. Inst. Chem. Eng., 10; 1932, pp. 112-158
F.W. Winn; Petrol. Refin., 37; 1958, pp. 216-218
I.J. Halvorsen, I. Dejanović, S. Skogestad, Ž. Olujić; Chem. Eng. Res. Des., 91; 2013, pp. 19541965
Einsatz von Trennwandkolonnen zur Effizienzsteigerung
bestehender industrieller Prozesse
Hilke-Marie Lorenz, Jens-Uwe Repke, TU Bergakademie Freiberg,
Freiberg/Deutschland; Daniel Staak, Lonza Ltd. Visp/Schweiz
Durch einen erhöhten Bedarf an fossilen Energieträgern und Rohstoffen gewinnen
effiziente und nachhaltige Prozesse in der chemischen Industrie immer weiter an
Bedeutung. Bei dem Design neuer Prozesse werden diese Aspekte bereits
erfolgreich berücksichtigt, jedoch besitzen bestehende Prozesse noch nach wie vor
ein hohes Optimierungspotenzial.
Das Ziel der vorgestellten Arbeit ist die Steigerung der Effizienz eines bestehenden
world-scale Prozesses in der chemischen Industrie. Der Prozess, in der neben einem
Hauptprodukt zusätzlich drei Nebenprodukte gewonnen werden, setzt sich aus 18
Unit-Operations und mehr als 80 internen Strömen zusammen. Eine detaillierte
Analyse dieses Prozesses zeigte ein hohes Optimierungspotenzial durch die
Abtrennung
eines
unerwünschten
Reaktionsprodukts
auf.
Eine
besondere
Herausforderung für die Umsetzung der Optimierungsaufgabe ist neben der geringen
Konzentration dieses unerwünschten Reaktionsproduktes
auch der
gewählte Abtrennort, direkt hinter dem Hauptreaktor. Durch die hohe Anzahl an
internen Recycleströmen hat eine Prozessmodifikation an dieser Stelle große
Auswirkungen auf alle anderen Unit-Operations.
Im Rahmen der Prozesssynthese ist ein Verfahren zur selektiven Abtrennung des
unerwünschten
Reaktionsproduktes
thermodynamisches
Stoffdatenmodell
entwickelt
der
worden.
Prozesslösung
Hierfür
in
ist
ein
ChemcadTM
implementiert und erfolgreich validiert worden. Bei dem resultierenden Verfahren
handelt
es
sich
um
eine
Hochdruck-Trennwandkolonne,
mit
nach
unten
durchgezogener Trennwand. Durch die direkte Einspeisung des dampfförmigen
Feeds kann der Energiebedarf verglichen mit einem konventionellen Verfahren
signifikant reduziert werden.
Im Rahmen dieses Beitrages wird die Entwicklung des Prozesses, sowie der
verwendete Lösungsansatz vorgestellt und diskutiert. Weiterhin werden die
ermittelten Auswirkungen der Implementierung auf den Gesamtprozess betrachtet.
Die geplante Implementierung der Trennwandkolonne verspricht eine Steigerung der
Gesamteffizienz des industriellen Prozesses um mehr als 4 %.
Windinduzierte Querschwingungen an Kolonnen
Manfred Weber, INEOS Phenol GmbH, Gladbeck/Germany
Jede zur Schwingung angeregte Destillationskolonne schwingt mit einer bestimmten
Eigenfrequenz f C . Bei Wind entstehen nun an der Kolonne Wirbel durch
Strömungsablösung. Diese treten mit einer bestimmten Frequenz abwechselnd zur
rechten und linken Seite am Apparat auf und regen so die Kolonne zum Schwingen
quer zur Windrichtung an. Diese Wirbelfrequenz f W steigt proportional mit der
Windgeschwindigkeit
an.
Wenn
die
Wirbelfrequenz
fW
gerade
gleich
der
Eigenfrequenz der Kolonne f C ist, wird der Apparat durch den Resonanzeffekt zu
größeren Auslenkungen angeregt und ggfs. sofort beschädigt. Diese Schädigung
kann aber auch erst nach Jahren auftreten, wenn die Kolonne bis dahin häufiger
einem nur moderaten Resonanzeffekt ausgesetzt war. Es kann dann z. B. zu einem
Ermüdungsbruch an der Schweißnaht am Übergang Standzarge/Kolonne kommen.
In der Literatur gibt es nur relativ wenig Hinweise über derartige Schwingungen bzw.
Schädigungen an Kolonnen /1-3/. Zumeist wird das Gefahrenpotenzial wegen des
Dämpfungseffektes der Flüssigkeit auf Kolonnenböden als nur gering eingeschätzt
/4/. Das gilt aber nicht für (reine) Packungskolonnen.
Der Dauerfestigkeitsnachweis bzgl. windinduzierter Querschwingungen an Kolonnen
kann nach DIN 4133 /5/ erfolgen. Die hierzu erforderlichen wichtigsten Parameter
sind die Eigenfrequenz f C der Kolonne sowie der Dämpfungsfaktor G für die Kolonne.
Im Vortrag wird zunächst eine vereinfachte Methode zur Abschätzung der
Eigenfrequenz von Kolonnen f C vorgestellt. Das weitere Vorgehen anhand DIN 4133
wird dann anhand einiger Beispiele erläutert. Auch hierbei sollen vereinfachte
Annahmen einen schnellen Quercheck für die Schwingungsanfälligkeit von
Destillationskolonnen ermöglichen. Ein solcher Quercheck ist auch hilfreich bei der
Überprüfung des Standsicherheitsnachweises des Kolonnenherstellers.
/1/
/2/
/3/
/4/
/5/
C. E. Freese , „Vibrations of Vertical Pressure Vessels“, J. Eng. Ind., 1959, 77-86
C. Verwiebe, „Winderregte Querschwingungen von Kolonnen – Beispiele aus der Praxis“, 23.
Konstruktionssymposium der DECHEMA e. V., Feb. 2007
R. Gawlick, „Auslegung von Kolonnen auf Querschwingungen“, 23. Konstruktionssymposium
der DECHEMA e. V., Feb. 2007
E. Gaube, “ Schwingungen im Chemiebetrieb”, Chem.-Ing.-Tech. 51 (1979), Nr. 1, 14-22
DIN 4133 “Schornsteine aus Stahl”, November 1991
Zum zyklischen Betrieb von Rektifikationskolonnen
Carsten Knösche, Jürgen Paschold, Steffen Bütehorn, Alexey Shilkin, BASF SE,
Ludwigshafen/Deutschland
Eine der frühsten Veröffentlichungen zum Betrieb von Destillationskolonnen im
zyklischen Modus datiert auf das Jahr 1952 (Cannon, 1952). In den folgenden
Jahrzehnten
wurden
zahlreiche
theoretische
wie
auch
experimentelle
Untersuchungen zum Thema veröffentlicht. Einen vorläufigen Höhepunkt fand das
Interesse Mitte der 1980-iger Jahre. Danach ebbte die Zahl der Veröffentlichungen
vermutlich aufgrund von Problemen bei der praktischen Umsetzung des zyklischen
Betriebs rasch ab. 2011 veröffentlichte Maleta et. al. (Maleta, 2011) eine neue
Konstruktion eines zyklischen Stoffaustauschbodens, der eine vielversprechende,
apparative Möglichkeit zur Realisierung des zyklischen Kolonnenbetriebs darstellt.
Damit wurde das Interesse an dieser Technologie neu entfacht.
Eine theoretische Analyse erlaubt es, Aussagen über die zu erwartende
Trennleistung im zyklischen Betrieb zu machen. So sind geschlossene Lösungen für
binäre Gemische und lineare Gleichgewichtslinien in der Literatur bekannt (z. B.
Horn,
1967).
Für beliebige
Gleichgewichtslinien
können
die
das
Problem
beschreibenden Gleichungen numerisch gelöst werden. Es zeigt sich, dass abhängig
vom
Stoffsystem
und
von
den
Betriebsbedingungen
signifikante
Trennleistungssteigerungen realisiert werden können.
In diesem Beitrag werden die theoretischen Vorhersagen zur Trennleistung
zyklischer Böden mit eigenen experimentellen Ergebnissen verglichen und diskutiert.
Außerdem
werden
grundsätzliche
Aspekte
zum
Energiebedarf
Dimensionierung derartiger Kolonnen näher beleuchtet.
Literatur:
Cannon, M. R., Oil Gas J. 51, 1952
Maleta et. al., Chemical Engineering and Processing, 50, 2011
Horn, Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 6, 1, 1967
und
zur
Erfassung von Entrainment in Cold-Flow Versuchen
mittels optischer Messtechnik
M. Lichti, H.-J. Bart,
Thermische Verfahrenstechnik, TU Kaiserslautern, Kaiserslautern
Bei Destillationskolonnen verwendet man Tropfenabscheider am Kopf der
Kolonne um Entrainment und damit Verschlechterung der Produktqualität zu
verhindern. Im Einsatz sind dazu verschiedene Abscheidertypen (z.B. Gestrick- oder
Lammellenabscheider) und deren Auslegung basiert auf Anzahl der Tropfen und
deren Größe, was auf Abschätzungen beruht. Um eine optimale Prozessführung zu
ermöglichen, ist daher die Quantifizierung des Tropfenmitrisses sowohl an Einbauten
als auch an Abscheidern von wesentlicher Bedeutung (Schultes, 2014).
In diesem Beitrag werden 2 Ansätze für die Erfassung von Entrainment in
Destillationskolonnen mit minimalinvasiven Messtechniken präsentiert. Die Versuche
werden aus Sicherheitsgründen zunächst in einer Cold-Flow Kolonne (DN300) mit
Füllkörperschüttungen durchgeführt. Erste Ergebnisse mit einer optischen Sonde
werden mit Daten der Laser (Phasen) Doppler Anemometrie (LDA/PDA) verglichen
und Limits und Einsatzpotentiale diskutiert.
Fig. 1: Aufnahme der Tropfengrößenverteilung
Fig. 2: Cold-Flow Prüfstand mit LDA/PDA Messung
Quelle:
Schultes, M. (2014), The Impact of Tower Internals on Packing Performance. Chem. Ing. Techn., 86: 658–665.
Gittersensorbasierte Visualisierung von Verweilzeit- und
Geschwindigkeitsverteilungen auf einem Siebboden
Markus Schubert1, Michael Piechotta1, Matthias Beyer1, Uwe Hampel1,2
1
Institut für Fluiddynamik, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Deutschland
2
Institut für Energietechnik, Technische Universität Dresden, Deutschland
In vielen Trennkolonnen werden Siebböden eingesetzt, bei der der Stoffaustausch
zwischen Dampf- und Flüssigphase in der Sprudelschicht erfolgt. Eine ungleichmäßige Überströmung des Bodens, z.B. aufgrund von Wölbungen oder Neigungen
des Bodens sowie durch ungleichmäßige Überströmung der Wehre, kann dabei die
Trennwirkung deutlich verschlechtern. Nach Bell und Solari [AIChE J., 20, 4, 688695, 1974] kann anstatt aufwendiger Stoffanalysen anhand des Strömungsfelds der
Flüssigphase auf die Trennleistung geschlossen werden.
In
diesem
Beitrag
wird
eine
neue
Messmethode
zur
Ermittlung
dieses
Strömungsfeldes vorgestellt. Diese basiert auf der hochaufgelösten Analyse der
Wehr-zu-Wehr-Überströmung des Bodens mit einem Flüssigkeitstracer anhand eines
Leitfähigkeitsgittersensors (Abb. 1).
Abb. 1: a) Gittersensorinstallation auf dem Siebboden, b) visualisierte Tracerströmung.
Aus den Tracer-Versuchen lassen sich charakteristische Strömungsparameter, wie
die lokale Flüssigkeitsverweilzeit und die Wehr-zu-Wehr-Strömungsgeschwindigkeit
extrahieren (Abb 2).
0.5
Abb. 2: a) Verweilzeitverteilung und b) Wehr-zu-Wehr Strömungsgeschwindigkeit (L = 3000 L/h, F = 0.7 Pa ).
Im Rahmen der Studie wurden unterschiedliche hydraulische Belastungen und
Wehranordnungen untersucht und die Überströmung visualisiert und charakterisiert.
Poster
Kinetische Untersuchungen zur Reaktivextraktion im
membrangestützten Mikrokontaktor
S. Willersinn, H.-J. Bart, TU Kaiserslautern, Deutschland
Ein
mikrostrukturiertes
Apparatedesign
zur
Quantifizierung
des
reaktiven
Stofftransportes der Flüssig/Flüssig-Extraktion von Metallionen bietet einige Vorteile.
Die vorherrschenden Längenskalen bedingen kürzere Diffusionswege, ein laminares
Strömungsregime und eine höhere Kontaktfläche pro Volumeneinheit. Zusätzlich
kann durch einen dispersionsfreien Phasenkontakt die Komplexität bei der
Modellierung klassischer Extraktionsapparate (Mixer-Settler oder Kolonnen) wie
axiale Dispersion, Koaleszenz/-Zerfallsphänomene, unbekannte Phasengrenzfläche
oder Phasentrennung deutlich reduziert werden.
In
der
vorliegenden
Forschungsarbeit
erfolgt
der
Phasenkontakt
durch
unterschiedliche Benetzungseigenschaften der wässrigen und organischen Phase an
den Porenrändern einer metallischen Trennstruktur im Mikrokanal. Hierzu werden
Metallgewebe
(Köpertressengewebe)
und
poröse
Sintermetallplatten
mit
Porendurchmessern von ca. 5 μm und Porositäten von 0,3 – 0,6 verwendet. Die
hydrodynamischen Betriebsgrenzen sind durch den transmembranen Druck
(Laplace-Druck) determiniert, wobei ein leichter Überdruck der nicht-benetzenden
Phase (~ 500 Pa) notwendig ist, um ein Ausbluten zu verhindern.
Der Gesamtstofftransportkoeffizient des reaktiven Stofftransportes setzt sich nach
dem
Widerstand-in-Serie-Modell
aus
diffusiven
Filmwiderständen,
dem
Membranwiderstand und einem Reaktionswiderstand an der Phasengrenzfläche
zusammen. Der Membranwiderstand wird experimentell durch die Wilson-PlotMethode [1] bestimmt. Durch gezielte Manipulation der Versuchsparameter wie
Strömungsgeschwindigkeit,
Kanalgeometrie
lassen
gemischtkontrollierte)
Ionentauscherkonzentration,
sich
verschiedene
Extraktionsregime
(diffusions-,
ansteuern
und
pH-Wert
und
reaktions-
oder
Einzelwiderstände
quantifizieren. Es werden verschiedene metallionenhaltige Testsysteme (Zn, Ge)
untersucht,
um
so
die
intrinsisch
kinetischen
Phasengrenzfläche der Reaktivextraktion abzubilden.
[1] Wilson (1915), Trans. ASME 37.
Transportvorgänge
an
der
Dispersionsfreie Zweiphasenströmung der Flüssig/FlüssigExtraktion im Mikrokanal
S. Willersinn, H.-J. Bart, TU Kaiserslautern, Deutschland
Bei den klassischen Apparaten der Flüssig/Flüssig-Extraktion (Mixer-Settler oder
Kolonnen) findet der Stoffaustausch durch Dispergierung einer Phase in eine
kontinuierliche andere Phase statt. Um einige Nachteile hierbei zu überwinden (z.B.
Fluten, Entrainment, unbekannte Phasengrenzfläche, Phasentrennung) hat sich eine
dispersionsfreie
Kontaktierung
in
Membrankontaktoren
bewährt
[1].
Der
Phasenkontakt findet hierbei je nach Benetzungseigenschaften an den Porenrändern
einer porösen Trennmembran statt. Zusätzlich führt die Mikrostrukturierung der
Kanäle (hydraulischer Durchmesser 400 – 100 μm) durch ein höheres Oberflächenzu-Volumen
Verhältnis
und
kürzeren
Diffusionswegen
zu
einer
Prozess-
intensivierung. Durch ein laminares Strömungsregime (Re < 10) und eine enge
Verweilzeitverteilung kann die nötige Verweilzeit reaktiver Stofftransportprozesse
exakt eingestellt werden. Als poröse Trennstrukturen werden Metallgewebe (z.B.
Köpertressengewebe) oder poröse Sintermetallplatten mit Porendurchmessern von
ca. 5 μm verwendet. Um ein Ausbluten der benetzenden Phase zu verhindern, ist ein
transmembraner Druck (Laplace-Druck) notwendig; ist dieser allerdings zu hoch,
kommt es zum Durchbruch der nicht-benetzenden Phase.
Zur Validierung der Hydrodynamik der Mikrokanalströmung wurden experimentelle
Untersuchungen bezüglich des Druckverlustes verschiedener Kanalgeometrien und
des Durchbruchdruckes verschiedener Metallstrukturen durchgeführt, um so
Betriebsdruckbereiche zu ermitteln. Die bei der laminaren Strömung entstehenden
Totzonen und Bachbildung im Mikrokanal konnten auch durch numerische
Untersuchungen bestätigt werden (siehe Abb.).
Abb. 1: Bachbildung und Totzonen, links: Simulation mit ANSYS FLUENT, rechts:
Experiment mit Rhodamin B als Tracer
[1] Gabelman & Hwang (1999), J. Membr. Sci. 159.
Untersuchungen zur pH-abhängigen Abtrennung von Indium und
Germanium aus wässrigen Lösungen mit NF-Membranen
Arite Werner, Roland Haseneder, Jens-Uwe Repke, TU Bergakademie Freiberg,
09599 Freiberg/Deutschland
Aufgrund der strategischen Bedeutung der Wertstoffe Indium und Germanium sowie
dem Wissen um eine zunehmende Rohstoffverknappung hat das an der TU BAF
gegründete „Biohydrometallurgische Zentrum für strategische Elemente“ (BHMZ)
zum Ziel, mithilfe von Mikroorganismen die Zielelemente in Lösung zu bringen,
selektiv abzutrennen und durch Elektrolyse zu gewinnen. Die hier vorgestellte
Forschungsarbeit fokussiert dabei auf die selektive Abtrennung der beiden
Zielelemente aus einer komplex zusammengesetzten Lösungsmatrix mittels
Membranverfahren in einem hybriden Trennprozess. Indium und Germanium sind vor
allem in sulfidischen Erzen (z.B. Sphalerit, ZnS) angereichert [1], weshalb die
entstehenden Laugungslösungen hohe Sulfatkonzentrationen aufweisen. Weiterhin
enthalten die Laugungslösungen große Mengen Zink, Eisen und Kupfer jedoch nur
sehr
gering
konzentriertes
Trenncharakteristik
grundlegendes
für
Indium
Indium
und
Membranscreening
Nanofiltrationsmembranen
und
Germanium.
Germanium
mit
(NF-Membranen)
zu
Um
ermitteln,
verschiedenen
mit
die
reinen
generelle
wurde
ein
polymeren
Indium/Germanium-
Lösungen in einer Dead-End-Zelle durchgeführt. Da die Element-Spezies außer von
den vorhandenen Begleitionen auch stark vom pH-Wert abhängig sind, wurden
systematische Parametervariationen durchgeführt, da hierzu kaum Literaturdaten
existieren [2]. Weiterhin beeinflusst der pH-Wert auch die Oberflächenladung
polymerer NF-Membranen, was ebenfalls einen Einfluss auf das Trennverhalten
haben kann. Die Ergebnisse zeigen, dass eine selektive Trennung von Indium und
Germanium mit NF-Membranen möglich ist. Zudem werden der Einfluss der
Speziationen sowie der Membranladung deutlich sichtbar. Im nächsten Schritt wird
die Komplexität der Lösung durch Zugabe konkurrierender Hauptkomponenten
erhöht, um die Auswirkung auf das Trennverhalten für Indium und Germanium zu
analysieren. Parallel hierzu wird entsprechendes Stofftransportmodell entwickelt.
[1]
Cook, N. J., Ciobanu, C. L., Pring, A., Skinner, W., Shimizu, M., Danyushevsky, L., Saini-Eidukat,
B., and Melcher, F. 2009. Trace and minor elements in sphalerite: A LA-ICPMS study.
Geochimica et Cosmochimica Acta 73, 16, 4761–4791.
[2]
Wood, S. A. and Samson, I. M. 2006. The aqueous geochemistry of gallium, germanium, indium
and scandium. Ore Geology Reviews 28, 1, 57–102.
Modellierung von stofftransportlimitierten Reaktionen im mit
Mehrphasenströmung betriebenen Strahlzonen-Schlaufenreaktor
Dipl.-Wi.-Ing. S. Heithoff, Prof.-Dr.-Ing. N. Räbiger
Institut für Umweltverfahrenstechnik der Universität Bremen
In der Industrie werden im Rahmen der Gas-Flüssigreaktionen strahlangetriebene
Schlaufenreaktoren umfangreich eingesetzt, da diese den Vorteil bieten, intensive
Vermischung, hohe Gasgehalte und damit große Stoffaustauschflächen bei
verhältnismäßig geringem Energieeintrag und einfacher Bauweise zu ermöglichen
u.a. [WAC85], [RÄB88]. Bisher dominieren zur Beschreibung der Konzentrations-,
Impuls- und Mischzeitverteilung in den Reaktoren meist integrale, orts- und
zeitgemittelte Modelle, wie [STE89], [CAM01]. Der Umsatz, die Selektivität und die
Ausbeute einer Reaktion werden u.a. durch die Vermischungscharakteristik im
Reaktionsraum bestimmt. Die konvektive Vermischung der Flüssigphase ermöglicht
den Molekültransport bis zur Grenzschicht. Innerhalb der Grenzschicht findet der
Stofftransport auf Basis von Diffusion statt, welche im Vergleich zum konvektiven
Transport wesentlich langsamer abläuft. Bei stofftransportlimitierten Reaktionen
bestimmt die Grenzschichtdicke somit die Umsatzrate. Die weit verbreitete integrale
Modellierung eines Reaktorsystems basiert auf Mittelwerten und damit auf der
Annahme einer homogenen Grenzschichtdickenverteilung im gesamten System.
Diese vereinfachende Annahme verbietet eine effizienzsteigernde Prozessoptimierung, da die transportbedingte Limitierung bei schnellen chemischen
Reaktionen unbekannt ist. Wiedemann [WIE11] modelliert die Umsatzrate und
Selektivität von stofftransportlimitierten Reaktionen in dem unter praxisrelevanten
Bedingungen mit Einphasenströmung betriebenen Strahlzonen-Schlaufenreaktor. Er
erweitert die klassische Damköhlerzahl um die Energiedissipationsdichteverteilung
und integriert somit die auftretende Inhomogenität der Vermischung auf der
Mikroskala des Realsystems in die Modellierung. Die Anwendbarkeit der
vermischungsmaskierten Kinetik konnte in Bromierungs- und Hydrierungsreaktionen
erfolgreich nachgewiesen werden. Im Rahmen des Vortrags wird die Erweiterung des
Ansatzes von Wiedemann auf Zweiphasenströmung aufgezeigt. Es wird ein partielles
Vorgehen zur Modellierung der Transportmechanismen angewendet, in dem der
Treibstrahlreaktor in sog. Mischungs- und Strömungszonen eingeteilt wird. Über
radiale und axiale Geschwindigkeits- sowie Sauerstoffkonzentrationsprofile wurde
der
Einfluss
der
lokalen
Hydrodynamik
auf
den
volumetrischen
Stoffübergangskoeffizient quantifiziert. Ein klarer Zusammenhang beider Größen
kann aufgezeigt werden, wodurch der Grundstein für die Modellierung von schnellen
chemischen Reaktionen in mit Mehrphasenströmung betriebenen Reaktoren gelegt
wurde.
[CAM01] Camarasa E., Carvalho E., Meleiro L., Maciel Filho R., Domingues A., Wild G. (2001) Chemical Engineering and Processing 40,
S. 121 - 128.
[RÄB88] Räbiger (1988). TÜV—Rheinland-Verlag, Köln.
[STE89] Sternad, W., Blenke, H. (1989) Chemie Ingenieur Technik 61, S. 479 – 482.
[WAC85] Wachsmann, U., Räbiger, N., Vogelpohl, A. (1985) Chemie Ingenieur Technik 57, S.346-347.
[WIE11] Wiedemann, M. (2011) Dissertation Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen.
Charakterisierung virus-rückhaltender Membranen mittels Filtration
von Goldnanopartikeln und flüssig-flüssig Porometrie
Peter Kosiol a,b, Björn Hansmann a, Volkmar Thom a, Mathias Ulbricht b
a
b
Sartorius Stedim Biotech GmbH, Göttingen/Deutschland
Universität Duisburg-Essen, Technische Chemie II, Essen/Deutschland
Virus-rückhaltende Membranen tragen im Downstreamprocessing durch robuste und
effiziente Entfernung von Viren mittels Größenausschluss wesentlich dazu bei die
Sicherheit von biopharmazeutischen Wirkstoffen zu gewährleisten. Um universell
Viren zurückhalten zu können, müssen diese Membranen quantitativen Rückhalt
(LRV > 4) für Parvoviren zeigen, welche kaum größer als die Produktproteine sind.
Zum Erreichen der benötigten hohen Selektivität der Membran sind eine optimale
nominelle Porengröße sowie eine enge Porengrößenverteilung notwendig. Weitere
wichtige Eigenschaften von virus-rückhaltenden Membranen sind ihre Permeabilität
und Filtrationskapazität. Diese sind unter anderem abhängig von strukturellen
Eigenschaften der Membran, wie dem Porengrößengradienten, der Dicke der
rückhaltenden Schicht sowie der Dicke der Supportschicht.
Goldnanopartikel sind sphärische, rigide Partikel mit enger Größenverteilung, welche
kommerziell in verschiedenen Größen erhältlich sind. Filtrationsexperimente mit
diesen Partikeln liefern eine große Bandbreite an Informationen über die
verwendeten Membranen. Aus den Rückhalten der verschiedenen Partikelgrößen
kann auf die Porengrößen und -verteilungen geschlossen werden. Die Analyse der
Position der in der Membran zurückgehaltenen Goldnanopartikel ermöglicht
Rückschlüsse auf die Membransymmetrie.
Als weitere Methode zur Bestimmung von Porengrößen und -verteilungen wurde die
flüssig-flüssig Porometrie (LLDP) eingesetzt. Diese ermöglicht es Membranen mit
Porendurchmessern im unteren Nanometerbereich zu untersuchen, welche sich mit
der kommerziell verbreiteten und viel genutzten gas-flüssig Porometrie nicht
analysieren lassen.
In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene kommerziell erhältliche virusrückhaltende Membranen mittels Filtration von Goldnanopartikeln und LLDP
untersucht.
Einfluss der Polymer-Nanoschichtarchitektur auf die Bindung von
Modellproteinen an Ionentauscher-Membranadsorber
J. Schwellenbach1, B. Sölter1, F. Taft1, L. Villain1, J. Strube2
1
Sartorius Stedim Biotech GmbH, 37079 Göttingen/Germany
2
Institute for Separation and Process Technology, Clausthal University of
Technology, 38678 Clausthal-Zellerfeld/Germany
Abstract
Die Immobilisierung einer Polymer-Nanoschicht auf einem Trägermaterial ist eine
effektive Möglichkeit, um die Bindungskapazität chromatographischer Medien zu
steigern. Oberflächengebundene Polymerketten mit adsorptiven Funktionalitäten sind
in der Lage, eine 3D-Struktur auf der Oberfläche zu bilden und ermöglichen die
Bindung von Zielmolekülen in mehreren Schichten. Besonders für Membranadsorber
mit einer geringeren spezifischen Oberfläche im Vergleich zu hochporösen Resins ist
ein Verständnis des Einflusses der Architektur der adsorptiven Nanoschicht, sowie
deren Optimierung, essentiell, um hohe Bindungskapazitäten zu erreichen.
Mittels kontrollierter oberflächengebundener Polymerisation auf Cellulosemembranen
ließen sich wichtige Strukturparameter der Polymer-Nanoschicht steuern. Dazu
zählen die Dichte und Länge der aufgebrachten Polymerketten, sowie in einem
weiteren Reaktionsschritt die Dichte der Ionentauscherliganden. Die Bindungskapazität des so hergestellten Membranadsorbers wurde für Modellproteine
unterschiedlicher hydrodynamischer Volumina und Ladung ermittelt. Aus der
Korrelation von Bindungskapazität, ionischer Kapazität und hydrodynamischem
Volumen in Abhängigkeit der jeweiligen Polymer-Nanoschichtstruktur ließ sich ein
Modell ableiten, dass die Bindungsverhältnisse auf Basis weniger Parameter
beschreibt.
Neben
Ligandenzugänglichkeit
Bindungsvolumen
den
und
eingeführt,
in
der
Literatur
Elektroneutralität,
welches
das
bekannten
wurde
Volumen
als
Größen,
neue
beschreibt,
wie
Größe
das
dass
den
Modellproteinen innerhalb der Polymerschicht zur Bindung zur Verfügung steht. Es
konnte gezeigt werden, dass eine Optimierung der Strukturparameter der PolymerNanoschicht zu einer Vergrößerung des Bindungsvolumens führt und somit eine
optimale Zugänglichkeit und Ausnutzung der Ionentauscherliganden erlaubt.
Graphical Abstract
Membranprozesse für die H 2 -Rückgewinnung aus fossil befeuerten
Kraftwerken und artverwandten Verfahren
Maria Grätz, Sergey Shishatskiy, Torsten Brinkmann, Helmholtz-Zentrum
Geesthacht, Institut für Polymerforschung, Geesthacht/Deutschland
Die Abscheidung von CO 2 aus Rauchgasen fossil befeuerter Kraftwerken ist im
Fokus intensiver Forschungsaktivitäten [1,2]. Membranverfahren zeigen dabei
großes Potential als Alternative zu herkömmlichen Verfahren zur CO 2 -Abtrennung.
Besonders im Post-Combustion-Bereich liegt das Hauptaugenmerk auf der
Verwendung von Polymermembranen [3], aber auch andere Trennaufgaben in
Stromerzeugungsprozessen können mit ihnen gelöst werden, wie z.B. Die H 2 /CO 2 Trennung nach der Biomassevergasung [4] oder einem Wasser-Gas-ShiftMembranreaktor [5]. Prozesssimulation in Aspen Custom Modeler® zeigen für diese
Prozesse unter Verwendung von temperaturbeständigen Polymeren wie z.B.
Matrimid® sehr vielversprechende Ergebnisse. Für dieses Polyimid wird eine starke
Erhöhung
der
H 2 /CO 2 -Selektivität
und
der
H 2 -Permeanz
mit
steigenden
Temperaturen erwartet. Für die H 2 -Aufreinigung mittels Membranverfahren nach der
Biomassevergasung
bedeuten
diese
guten
Trenneigenschaften
bei
hohen
Temperaturen z.B. eine Einsparung der Membranfläche um bis zu 80% und der
Kompressionsleistung um bis zu 90%, im Vergleich zu Membranverfahren bei
niedrigen Temperaturen. Dabei können Rückgewinnungsraten von mehr als 80%
und Reinheiten von §HUUHLFKWZHUGHQ
Um die vielversprechenden Simulationsergebnisse experimentell zu überprüfen
wurde ein neuer Teststand gebaut, mit dem Permeationsversuche für feuchte
Mischgase (relative Feuchten bis 100 %) bei Temperaturen bis 200°C und Drücken
bis 35 bar durchgeführt werden können. Erste Ergebnisse werden vorgestellt.
Referenzen
[1] E. Favre, J. Membr. Sci., 294, 50 (2007).
[2] K. Ramasubramanian, Y. Zhao, AIChE J, 59, 1033 (2013).
[3] T. C. Merkel, H. Lin, X. Wie, R. Baker, J. Membr. Sci., 359, 126 (2010).
[4] A. Makaruk, M. Miltner, M. Harasek, Appl. Therm. Eng., 43, 134 (2012).
[5] S. Schiebahn, E. Riensche, D. Stolten, Chem. Eng. Technol., 35, 555 (2012)
Title: Effects of process parameters on Mycoplasma retention during membrane filtration
Authors: Alexander Hellinga,b, DŝůĂŶWŽůĂŬŽǀŝēb, Volkmar Thoma
a
Sartorius Stedim Biotech GmbH, Göttingen, Germany
b
Slovak University of Technology, Faculty of Chemical and Food Technology, Bratislava, Slovakia
Contact: alexander.helling@sartorius-stedim.com
Poster abstract:
Size exclusion is the pre-dominant mechanism for particle retention in most membrane based filtration
processes. This is mostly true for colloidal particles (e.g. viruses) and very often true for microscopic
particles (e.g. bacteria). This work demonstrates, how operating parameters, like applied transmembrane-pressure or temperature can significantly impact the retentive performance of a
Mycoplasma retentive filter membrane.
In these filtration studies commercially available 0.1 μm rated and single layer flat sheet model
membranes, exhibiting levels of retention that can easily be detected and differentiated, were used.
In addition, we have characterized the physical properties of the respective microorganisms with
different direct characterization techniques, like SEM and DLS for particle size distribution as well as
AFM for ductility measurements. To further characterize particle properties, filter cakes were generated
for purified mycoplasma and similarly sized latex beads and the respective hydrodynamic cake
resistance as a function of operating pressure and temperature was evaluated.
The results show, that the observed retention data can be rationalized and correlated to the ductility of
the target particles. It depends on the one hand on the temperature due to the biomembrane’s phase
transition. A higher applied pressure will on the other hand lead to a larger deformation and penetration.
It could be shown, that process validation is crucial for selected operating parameters.
Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik und Membrantechnik
Jahrestreffen, 26. - 27.März 2015, Maritim Hotel Bremen
Posterbeitrag
„Erste Praxiserfahrungen mit der organophilen Nanofiltration im Applikationszentrum
Membrantechnik des Fraunhofer IKTS“
Der Hermsdorfer Institutsteil des Fraunhofer IKTS befasst sich unter anderem mit der
Entwicklung, Testung und Erprobung anorganischer Membranen für verschiedenste
Trennaufgaben in flüssigen und gasförmigen Medien. Ein Entwicklungsinteresse liegt seit
einiger Zeit auf der organophilen Nanofiltrationsmembran. Für die Entwicklung und
Testung der Membranen wurden der Aufbau und die Inbetriebnahme eines Ex-Containers,
welcher zwei Filtrationsanlagen zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen (nach
Richtlinie 94/9/EG) zulässt, notwendig.
Hintergrund: Bei Produktionsprozessen in der Chemieindustrie und Pharmazie können
verunreinigte, organische Lösungsmittel anfallen, die für eine Wiederverwendung gereinigt
werden müssen. Weiterhin wird eine Rückgewinnung von Homogenkatalysatoren auf
Grund ihrer Knappheit und des hohen Preises der Edelmetalle immer interessanter. Beide
Prozesse werden derzeit über Destillationsverfahren umgesetzt. Da diese Verfahren mit
hohen Energiekosten verbunden sind, werden ökologisch und ökonomisch nachhaltige
Alternativen benötigt. Als eine Verfahrensalternative oder Ergänzung kann eine Filtrationsstufe mit organophilen Nanofiltrationsmembranen verwendet werden. Dies ermöglicht die
Rückgewinnung eines Großteiles der Wertstoffe über ein druckgetriebenes, physikalisches
Verfahren und somit ohne externe Heiz-/ Kühlenergie.
Mit Hilfe von zwei Versuchsanlagen (VSA) in einem mobilen Container, der den Anforderungen
des
Explosionsschutzes
genügt,
können
Trennversuche
mit
Membranentwicklungsmustern oder mit kommerziellen Membranen durchgeführt und
Verfahren entwickelt werden.
In ersten Testreihen wurden keramische NF-Membranen unterschiedlicher Ausführung
hinsichtlich ihres Flussverhaltens in unterschiedlichen Lösungsmittel als auch bezüglich
ihres Rückhaltes untersucht.
Die Ergebnisse sollen bewertet werden und Rückschlüsse auf einen möglichen Einsatz in der
chemischen Industrie zulassen.
Ansprechpartner:
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme, IKTS,
Institutsteil Hermsdorf, Applikationszentrum Membrantechnik
Christian Pflieger
Nougat-Allee 3, 98574 Schmalkalden, Germany
Telefon +49 3683 401994
Fax +49 351 2554 398
mailto:christian.pflieger@ikts.fraunhofer.de
http://www.ikts.fraunhofer.de
Preparation of PEO-b-PMMA Diblock Copolymers as Additive for PVDF
Ultrafiltration Membranes
Jens Meyer and Mathias Ulbricht, Lehrstuhl für Technische Chemie II, Universität
Duisburg-Essen, 45117 Essen, Germany, E-mail: Jens.Meyer@uni-due.de
In this work, PEO-b-PMMA Diblock Copolymers were used as hydrophilic additive in
PVDF Ultrafiltration Membranes in order to increase the hydrophilicity of the Membrane
and thereby decrease biofouling.
PEO-b-PMMA Diblock Copolymers have been synthesized successfully via a
convenient
ATRP
approach,
starting
from
commercially
available
Poly(ethylene glycol) methyl ether. A PEO macroinitiator can be obtained from this
polymer by the reaction with 2-bromoisobutyryl bromide as described in the literature [1].
Poly(ethylene glycol) methyl ether is available in different molar weights between 350
and 20,000 g·mol-1 which enables a broad range of molar weights and block ratios of
the Copolymer.
Until now, the main focus was on Copolymers with a 5,000 g·mol-1 PEO block and an
overall molecular weight between 30,000 and 45,000 g·mol-1.
The Diblock Copolymers have been tested as an additive in casting solutions for PVDF
Ultrafiltration Membranes that have earlier been developed in our workgroup.
The membranes were prepared on glass plates using the nonsolvent induced phase
separation process (NIPS) with water as the coagulation medium.
The addition of 1.0 wt% of the Copolymer to these casting solutions lead to a 60 %
higher water permeability and a decrease of BSA rejection from >90 % to 60 %. This
can be explained as the result of a higher average pore diameter.
In further experiments, small amounts of different metal salts were added to the casting
solutions. This was done in order to complexe the PEO block of the copolymer and
induce microphaseseparation, which could increase the porosity of the membrane.
It was shown that the permeability and rejection properties were influenced by the type
of salt used in the casting solution.
The best results were obtained with about 0.4 wt% CuCl, which resulted in a 89 %
higher water permeability (compared to the base membrane without Copolymer) at a
BSA rejection of >90 %.
Evidence for the existence of a Copolymer-Metal complex was also found in rheological
and DLS analyses of copolymer solutions.
In later parts of this work, the same Copolymer with a higher molar mass will be used
as novel Membrane Polymer. This could lead to self-assembling structures, which have
already been reported for different Diblock Copolymers in the literature [2].
[1] J. Huang, C. Tang et al., Macromol. Chem. Phys., 2007, 208, 2312-2320.
[2] S. P. Nunes, A. Car, Ind. Eng. Chem. Res. 2013í
Preparation of ultrafiltration membranes with diblock
copolymer additives for low-fouling properties
Miao Li, Mathias Ulbricht
Lehrstuhl für Technische Chemie II,
Universität Duisburg-Essen, 45141, Germany
miao.li@uni-due.de
Ultrafiltration
(UF)
membrane
technology
can
provide
important
contributions to ease the intensifying “worldwide water scarcity”, One new
target is reliable size-based removal of viruses in combination with tailored
specific adsorption for micro-pollutants. However, membrane fouling imposes
obvious negative impact on UF performance and lifetime[1].
For improvement of anti-fouling ability of poly-vinylidenefluoride (PVDF)
UF membrane, diblock copolymer PMMA-b-PSPE was designed and prepared
by atom-transfer radical-polymerization. Poly (methylmethacrylate) (PMMA)
and
poly(N-(2-methacryloyloxyethyl)-N,N-dimethyl-N-(3-sulfopropyl)
ammonium betaine) (PSPE) were chosen as anchor block and functional block,
respectively based on their excellent compatibility with PVDF and powerful
hydrophilicity[2]. Several prepared types of PMMA-b-PSPE copolymer
additives with different size of PSPE block were introduced into PVDF
membranes by non-solvent induced phase separation. Additionally, PVP was
combined with PMMA-b-PSPE to improve performance of PVDF membrane
further. Analysis and discussion about characterizations will be presented.
The research has received funding from the European Union Seventh Framework
Programme (FP7/2007-2013), grant agreement no.: 280595.
References
[1] M. Ulbricht, Polymer 2006, 47, 2217-2246.
[2] Q. Shao, S. Jiang, J. Phys. Chem. B 2014, 118, 7630-7637.
Untersuchungen zum Holdup von Anstaupackungen
S. Flechsig, Ö. Yildirim, E. Y. Kenig
Ausgehend von einem hohen Energiebedarf thermischer Trennverfahren resultiert
die Forderung an die Forschung einen schonenden Umgang mit den vorhandenen
Ressourcen
durch
Effizienzsteigerungen
zu
verwirklichen.
Ein
wesentliches
Entwicklungspotential weisen die Einbauten von Trennkolonnen auf, welche die
Fluiddynamik und den Stofftransport entscheidend beeinflussen. Ein Ansatz zur
Intensivierung des Stofftransports stellt die Entwicklung von Anstaupackungen (AP)
dar [1]. Diese bestehen aus zwei alternierenden Lagen strukturierter Packungen mit
unterschiedlicher spezifischer Oberfläche. Die untere Anstaulage weist eine
geringere Lastgrenze auf als die darüber angeordnete Abscheidelage. AP werden
üblicherweise zwischen den Flutpunkten der beiden Lagen betrieben, weshalb ein
heterogenes Strömungsmuster entsteht. Dabei bildet sich oberhalb der gefluteten
Anstaulage eine Sprudelschicht, die durch eine intensive Vermischung der Phasen
geprägt ist und eine hohe Trennleistung erzielt.
In dieser Arbeit werden eigens generierte experimentelle Daten und Simulationsergebnisse zur Fluiddynamik von AP gegenübergestellt. Die experimentellen
Untersuchungen zum Holdup wurden in einer DN 300 Kolonne mit dem Testsystem
Wasser/Luft unter Variation der Fluidbelastungen erstmalig für verschiedene APKombinationen der neueren Generation durchgeführt. In Anlehnung an die
unterschiedlichen Strömungsmuster wird eine Erweiterung des bestehenden
Fluiddynamikmodells
von
AP
[2]
präsentiert,
indem
ein
additiver
Ansatz
entsprechend der entlang eines AP-Elements vorliegenden Strömungsformen
verfolgt wird. Der zuverlässigen Bestimmung des Holdups wird in Bezug auf die
Modellierung eine besondere Bedeutung beigemessen, da sowohl hydraulische
Parameter, wie z.B. die Lastgrenzen und der Druckverlust, als auch die den
Stofftransport beeinflussende Phasengrenzfläche in Abhängigkeit des Holdups
korreliert werden.
[1] M. Jödecke, T. Friese, G. Schuch, B. Kaibel, H. Jansen: IChemE Symp. Ser., 152 (2006),
786-789.
[2@ 8 %ULQNPDQQ % .DLEHO 0 -|GHFNH - 0DüNRZLDN ( < .HQLJ &KHP ,QJ 7HFK 84
(2012), 36–45.
Efficient liquid-liquid extraction by a milli-device based on
hydrophobic membranes
Dipl.-Ing. T. Wellsandt, Dipl.-Ing. B. Stanisch, Prof. Dr.-Ing. J.Strube
Institute for Separation and Process Technology
The implementation of “milli-scale” devices in engineering processes is a new and
growing field. In contrast to conventional industrial techniques a milli process is
characterized by improved mass and heat transfer and small equipment size. The
majority of current applications are established in the field of reaction technology.
However, the transfer of knowledge from these scientific focuses to separation
technology is performed hesitantly [1]. For the transfer of milli technology to
separation processes like liquid-liquid extraction (LLE), a combination of efficient
mass transfer and fast phase separation is necessary.
In this work, a liquid-liquid extractor in milli-scale is introduced and characterized in
terms of mass transfer efficiency for throughputs up to several liters per hour. A
Single- and multi-stage process setup is used for experimental studies followed by
rigorous process modelling. Comparable to [2], mixer and phase separator are
integrated into one device using hydrophobic membranes for phase separation. For
different process conditions like changing solvent ratios and throughput the
influence on phase separation and mass transfer efficiency is determined. The
extraction efficiency is evaluated based on the concentration change in both phases.
Finally, integration into production scale is discussed for different fields of
application like physical, reactive or aqueous two-phase extraction.
Literature
[1] K. F. Jensen, Chemical Engineering Science 2001, 56 (2), 293.
[2] J. G. Kralj, H. R. Sahoo, K. F. Jensen, Lab Chip 2007, 7 (2), 256.
Experimentelle Untersuchungen zur Charakterisierung
von rotierenden Stoffaustauschmaschinen
Kolja Neumann, Matthias Grimm, Philip Lutze
TU Dortmund, Dortmund, Germany
Die Verarbeitung biobasierter Rohstoffe gewinnt in der chemischen Industrie
zunehmend an Bedeutung. Aufgrund variierender Reinheiten und Zusammensetzungen
der
Ausgangsstoffe
und
teilweise
hoher
Viskositäten
stellt die
Verwendung von nachwachsendenden Rohstoffen besondere Anforderungen an die
Downstreamprozesse. So sind flexible Apparate von Vorteil, welche eine konstante
Produktqualität
bei
variierenden
Zusammensetzungen
der
Prozessströme
ermöglichen.
Rotierende Stoffaustauschmaschinen, Rotating Packed Beds (RPB) genannt,
vereinen die Anforderungen einer flexible Prozessführung und der möglichen
Verarbeitung viskoser Medien in einem kompakten Design. Durch Rotation der
Packung
wird
ein
Zentrifugalfeld
erzeugt,
in
welchem
ein
intensivierter
Stoffaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit stattfindet. Die Flüssigkeit wird im
Zentrum der Packung aufgegeben und strömt durch das Zentrifugalfeld beschleunigt
nach außen, während der Dampf bzw. das Gas im Gegenstrom nach innen strömt.
Mögliche
Einsatzfelder
für
RPBs
wären
insbesondere
Rektifikations-
und
Absorptionsprozesse. Im Vergleich zu Kolonnen können in RPBs deutlich größere
Stofftransportraten und höhere Durchsätze erreicht werden, sodass die Größe des
Apparates und der notwendige Platzbedarf innerhalb der Gesamtanlage reduziert
wird. Um das Potential von RPBs abschätzen zu können, fehlen allerdings
systematische Untersuchungen zur Charakterisierung der Technologie.
Anhand einer dreistufigen RPB-Pilotanalage wurden Experimente zur Vermessung
des Betriebsfensters bei verschiedenen Viskositäten durchgeführt. Zur weiteren
Charakterisierung der RPB wurde außerdem der Einfluss wichtiger Designparameter,
wie der Rotorhöhe oder der gewählten Rotoreinbauten, untersucht. Des Weiteren
werden Ergebnisse zum Stofftransport bei der Absorption von CO 2 in unterschiedlich
viskoser Natronlauge vorgestellt.
Die Autoren danken der Max-Buchner-Stiftung für die finanzielle Unterstützung der
Forschungsarbeiten (MBFSt-reference code 3326).
Vorhersage von binären Fickschen Diffusionskoeffizienten in
Flüssigkeiten mit COSMO-RS
Sebastian Rehfeldt; Tobias Sachsenhauser; Sandra Schreiber; Harald Klein;
Technische Universität München, Garching, Deutschland
Zur Auslegung und Optimierung von Stoffaustauschprozessen (z.B. Rektifikation, Absorption oder Extraktion) ist die Kenntnis von Stoffdaten erforderlich. Für die meisten
Stoffgrößen existieren umfangreiche Datensammlungen oder zuverlässige Berechnungsmethoden, wobei der Diffusionskoeffizient aber eine Ausnahme bildet. In der
Regel wird die Diffusion mit dem phänomenologischen Fickschen Gesetz beschrieben. In thermodynamisch nicht-idealen Gemischen ist der Ficksche Diffusionskoeffizient jedoch stark konzentrationsabhängig. Vorhersagemodelle sind unzuverlässig
und zeigen große Abweichungen, in der Literatur finden sich nur wenige Daten.
Eine Möglichkeit zur Vorhersage ist die Berechnung mit dem physikalisch konsistenten Diffusionsmodell nach Maxwell und Stefan, dessen Diffusionskoeffizient eine geringe Konzentrationsabhängigkeit zeigt. Wird dieser mit dem sog. thermodynamischen Korrekturfaktor multipliziert, so ergibt dies den Fickschen Diffusionskoeffizienten. Der thermodynamische Korrekturfaktor wird aus Aktivitätskoeffizienten oder dem
chemischen Potenzial berechnet. Seine Berechnung kann also mit gE-Modellen wie
Wilson, UNIQUAC oder NRTL erfolgen, sofern Dampf-Flüssig-Gleichgewichtsdaten
(VLE) verfügbar sind. Ist dies nicht der Fall, so finden prädiktive Berechnungsmodelle
wie UNIFAC oder ASOG Anwendung. Ebenso kann mittels der Methode COSMO-RS
(Conductor-like Screening Model for Realistic Solvation), welche quantenchemische
Berechnungen mit statistischer Thermodynamik kombiniert, das chemische Potenzial
mit Kenntnis der Molekülstruktur vorhergesagt und aus diesem der thermodynamische Korrekturfaktor berechnet werden.
In dieser Studie wird die Vorhersage von Fickschen Diffusionskoeffizienten anhand
von 28 binären Stoffsystemen mittels des oben genannten Weges untersucht, wobei
gE-Modelle zusammen mit VLE-Daten aus der DECHEMA Chemistry Data Series
sowie die Methoden UNIFAC, ASOG und COSMO-RS Anwendung finden. Die
verschiedenen Berechnungsmethoden werden anhand des Vergleichs der vorhergesagten Fickschen Diffusionskoeffizienten mit Literaturdaten bewertet.
Die auf VLE-Daten basierenden Methoden liefern meist gute Ergebnisse, in einigen
Stoffsystemen wird jedoch mit COSMO-RS das beste Vorhersageergebnis erzielt.
Einfluss von Biofouling auf Strömung und Wärmeübergang in
wasserführenden Systemen
Sebastian Pohl, Hans-Jörg Bart, Technische Universität Kaiserslautern,
Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik, Kaiserslautern/Deutschland;
Werner Manz, Marco Madzgalla, Universität Koblenz-Landau, Institut für integrierte
Naturwissenschaften - Arbeitsgruppe Mikrobiologie, Koblenz/Deutschland;
Bei der Nutzbarmachung von Fließgewässern zur Kühlung von industriellen
Prozessen kommt es durch milde Temperaturen in Zuleitungen, Wärmeübertragern
und Kühltürmen verstärkt zum Biofouling. Gerade in Entwicklungs- und Dritte-WeltLändern kommt es durch mangelhafte Abwasserbehandlung und wärmere
klimatische Bedingungen zu erhöhter mikrobieller Belastung in Fließgewässern. Die
sich ausbildenden Biofilme greifen die eingesetzten Oberflächen durch inhärente
Stoffwechselprozesse an und erhöhen aufgrund von verstärkter Reibung des Fluides
sowie der auftretenden Querschnittsverengung die erforderliche Pumpenleistung.
Ziel dieses Beitrags ist die Darstellung der Folgen von fortschreitendem Biofouling
auf Strömung und Wärmeübergang in Plattenwärmeübertragern. Ferner wird die
gezielte Einflussnahme auf den sich ausbildenden Biofilm durch die Nutzung von
schlecht netzbaren und leicht zu reinigen Polymerfolien diskutiert. Des Weiteren wird
der Einfluss der Scherkrafterhöhung (periodisch/aperiodisch), der gezielten
Mikrostrukturierung der Oberfläche, sowie weiterer Stessmechanismen (elektr.
Strom) auf die Haftung des sich ausbildenden Films diskutiert.
In Zusammenarbeit mit der AG Mikrobiologie der Universität Koblenz-Landau
wurde ein geeigneter Mikro-Strömungskanal entwickelt, welcher in situ
Untersuchungen
des
Biofilmes
auf
verschiedenen
Polymerfolien,
mit
Edelstahloberflächen als Referenz, bei schneller Datengewinnung erlaubt. Die
Kinetik der sich ausbildenden Biofilme wird an beiden Standorten in
unterschiedlichen Kanälen (konventionell: Epifluoreszenzmikroskopie, Mikro-Kanal:
3D-Raman-Spektroskopie) untersucht. Die entwickelten Strömungskanäle erlauben
somit eine gezielte Beurteilung der Biofilmbildung in verschieden Zeitfenstern und
Maßstäben bei sich verändernden Prozessbedingungen unter Einsatz von
Polymerfolien.
Abbildung 1: Schema des Strömungskanals
Abbildung 2: Draufsicht des Strömungskanals
Wärmeübertragung und Fluiddynamik in ThermoblechKondensatoren: Modellierung basierend auf experimentellen
Untersuchungen
J.M. Tran, M. Piper, E.Y. Kenig
Thermoblech-Kondensatoren stellen technologisch fortschrittliche Wärmeübertrager
dar. Deren Eigenschaften sind unter anderem eine kompakte, leichte und
vollverschweißte Bauweise, eine gute Wärmeübertragungscharakteristik sowie
niedrige Investitions- und Betriebskosten [1,2]. Dennoch werden die Apparate in der
Prozessindustrie bislang nur begrenzt eingesetzt, da verlässliche und öffentlich
zugängliche Dimensionierungsgrundlagen weitgehend fehlen.
Unsere Gruppe führte daher umfangreiche experimentelle und numerische
Untersuchungen durch, um diese Limitierung zu überwinden. Die Arbeit fand
vorwiegend im Rahmen des Verbundprojekts InnovA2 (www.innova2.de) statt.
Zur
Analyse
der
thermohydraulischen
Eigenschaften
von
Thermoblech-
Kondensatoren wurden zwei komplementäre Versuchsanordnungen verwendet. Eine
dieser Anordnungen wurde für die Bestimmung von Wärmeübergang und
spezifischem Druckverlust auf der vom Kühlmedium durchflossenen Innenseite
verschiedener Thermobleche genutzt, wobei Wasser und Wasser/Monoethylenglykol-Mischungen als Medien dienten. Die andere experimentelle Anordnung wurde
für die Erfassung von Wärmedurchgang und Druckverlust bei der Kondensation von
Wasser und Isopropanol in einem Thermoblech-Apparat verwendet.
In diesem Beitrag werden zentrale Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen
zusammengefasst. Die gewonnenen Daten wurden in eine dimensionslose Form
überführt und in eine Visual Basic-Programmierumgebung implementiert. Dies
erlaubt eine lokale Berechnung der Stoffeigenschaften und Wärmeübergangskoeffizienten auf beiden Seiten des Kondensators. Das resultierende Software-Tool
wurde anschließend zum Vergleich mit eigenen experimentellen Daten und
Literaturwerten, die für andere Wärmeübertragertypen ermittelt wurden, genutzt.
[1]
J.M. Tran, M. Piper, E.Y. Kenig. Proc. 9th WCCE (2013)
[2]
M. Piper, A. Zibart, J.M. Tran, E.Y. Kenig. Proc. 15th IHTC (2014)
Separation of partially hydrogenated LOHC mixtures
Rabya Aslam, Karsten Müller, Katharina Stark, Wolfgang Arlt
Institute of Separation Science & Technology, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Recent studies1 show the potential of the heat transfer oil dibenzyltoluene, also known as
Marlotherm SH (MSH), as a Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC). Reasonable hydrogen
storage capacity (6.2 wt-%) and high thermal stability even at harsh conditions support MSH as a
feasible choice for the LOHC technology.
For the development of such a process and the implementation of a MSH based LOHC
technology, it is compulsory to know the thermophysical properties in all dehydrogenated,
hydrogenated and partially hydrogenated states which are formed during the reaction. The
number of isomers is further increased by the fact that even the totally dehydrogenated starting
mixture consists of six different isomers. More than 30 different intermediate and end products
therefore occur in the reactive system. The individual compounds are not available in their pure
form, but only in complex reaction mixtures. To measure reaction kinetics and thermophysical
data and optimization of the whole process, it is necessary to gather information about those
intermediates.
In this contribution, the separation of fully dehydrogenated MSH into its different isomers
via spinning band vacuum distillation and separation of complex partially hydrogenated mixture
into its fractions according to the degree of hydrogenation via high pressure liquid
chromatography is presented. The purified components have been identified using NMR and
GC-MS studies. Furthermore, the scale up of the processes on a pilot scale batch distillation
column and preparative scale HPLC are highlighted. The obtained pure chemicals could be used
for the measurement of various physical properties like density, viscosity, refractive index,
surface tension, and vapor pressure of the individual isomers and various hydrogenated fractions.
1.
Brückner, N., Obesser, K., Bösmann, A., Teichmann, D., Arlt, W., Dungs, J., Wasserscheid, P.,
Evaluation of Industrially Applied Heat-Transfer Fluids as Liquid Organic Hydrogen Carrier Systems.
ChemSusChem 2014, 7(1), 229-235.

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