Einführung in den Maschinenbau

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1 Einführung in den Maschinenbau und in die Verfahrenstechnik WS 10/11 Rolf Gimbel, Ralph Hobby Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik (EUT) Verfahrenstechnik / Wassertechnik IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasserforschung Gemeinnützige GmbH

2 Übersicht Übersicht über den Bachelor- / Masterstudiengang Maschinenbau Definition, Grundprozesse und Aufgaben der Verfahrenstechnik Verfahrenstechnik am Beispiel der Wassertechnik 2

3 Übersicht über den Bachelorstudiengang Maschinenbau Grundstudium mit Pflichtmodulen (Inhalt ist z.t. abhängig von der Vertiefungsrichtung) Vertiefungsrichtungen 1. Allgemeiner Maschinenbau 2. Energie- und Verfahrenstechnik 3. Mechatronik 4. Produkt Engineering 5. Schiffstechnik 6. Gießereitechnik 7. Metallverarbeitung und -anwendung 3

4 Übersicht über den Bachelorstudiengang Maschinenbau Bei Wahl einer Vertiefungsrichtung aus Pflichtfach Energie- und Verfahrenstechnik : Darstellung der Energie- und Verfahrenstechnik am Beispiel einer Raffinerie Grundstruktur einer Raffinerie, Reaktionstechniken, Trenntechniken, Begriffe der Energietechnik, Energieumwandlung, Energiebilanzen, Wassernutzung in einer Raffinerie, Wasseraufbereitung für versch. Prozesse, Abwasserreinigung, Rauchgasreinigung 4

5 Übersicht über den Bachelorstudiengang Maschinenbau Vertiefungsrichtung 2. Energie- und Verfahrenstechnik mit den Wahlpflichtfächern Mechanische Verfahrenstechnik Thermische Verfahrenstechnik Fluiddynamik Energietechnik Umweltverfahrenstechnik Verbrennungslehre Reaktionstechnik Mechanische Verfahrenstechnik: Beschreibung disperser Systeme und Übersicht über die in der MVT üblichen Prozesse (Staubabscheidung, Fest- Flüssig Trennung, Klassieren, Rühren und Mischen, Zerkleinern, ) 5

6 Übersicht über den Masterstudiengang Maschinenbau Masterprogramm Energie- und Verfahrenstechnik Veranstaltungen zum Thema Wasser : Wahlpflichtfach Wassertechnik Wahlfächer Abwasserreinigung Membrantechnik zur Wasseraufbereitung Prozesse des Kalk-Kohlensäuresystems Trink- und Prozesswasseraufbereitung Praktikum zur Wassertechnik 6

8 Verfahrenstechnik = Technik zur Stoffänderung Änderung der Stoffart durch chemische Stoffumwandlung bei Verbrennungsprozessen Redoxvorgängen Biochemischen Vorgängen Katalyse Änderung der Stoffeigenschaften Partikelgröße Druck, Temperatur, Aggregatzustand Änderung der Stoffzusammensetzung Mischen, Dispergieren Trennen Gewinnen reiner Produkte Entfernen unerwünschter Stoffe 8

9 Aufgaben der Verfahrenstechnik einzelne Prozessstufen verstehen, konzipieren, realisieren und steuern verfahrenstechnische Anlagen ( bestehend aus: Maschinen, Apparaten, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, Verbindungen, usw. ) entwickeln und bauen verfahrenstechnische Systeme optimal betreiben ( z.b. unter Anwendung numerischer Simulation ) 9

11 Verfahrenstechnik am Beispiel der Wassertechnik Wasser als Lebenselement Eigenschaften und Vorkommen von Wasser Wassernutzung und technische Entwicklung im Rückblick Aktuelle Probleme der Wassernutzung Beispiele wassertechnologischer Verfahrensstufen Beispiele moderner wassertechnischer Anlagen Berufsmöglichkeiten 11

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13 Wasser = H 2 O Aufteilung des gesamten Wasservorrates der Erde in: 2,6 % Süßwasser 97,4 % Salzwasser 13

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16 Wasserressourcen (weltweit) 1,38 Milliarden km 3 insgesamt 97,4% Salzwasser 36 Millionen km 3 Süßwasser (mit Polareis, Ozeaneis, Gletscher) 3,6 Millionen km 3 (0,27%) als Süßwasser verfügbar als Ressource zur Bewässerung, industrieller und häuslicher Nutzung 16

17 Wasserkreislauf (Bsp. Deutschland) 17

18 Globale Süßwassernutzung 6000 Kubikkilometer Haushalte Industrie Landwirtschaft Quelle: National Geographic Deutschland 3,

19 Konstanter Wasservorrat zunehmende Weltbevölkerung 19

20 Der konstante Wasservorrat auf der Erde wird intensiv genutzt! 20

21 Der konstante Wasservorrat auf der Erde wird intensiv genutzt! 21

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23 Problemstellung Nur ein geringer Anteil des gesamten Wasservorrates der Erde ist zur Versorgung der Weltbevölkerung verfügbar (Landschaft, Industrie, Haushalt). Dieser Wasservorrat ist konstant, die Weltbevölkerung nimmt aber zahlenmäßig dramatisch zu. Der Wasservorrat auf der Erde wird intensiv genutzt. Die Nutzung des Wasservorrates wird sich aufgrund zunehmender Wohlstandsansprüche verstärken. Der Wasservorrat auf der Erde ist geographisch ungleichmäßig verteilt Konfliktsituation 23

24 Spannungsfeld der globalen Wassernutzung Zunehmender Bedarf an Wasser von geeigneter Qualität zur Bewässerung sowie für die Versorgung von Industrie und Kommunen (Trinkwasser) Zunehmender Bedarf an Wasserversorgung und Abwasserentsorgung in Ballungsräumen (Megacities) Zunehmende Belastung der Wasserressourcen durch anthropogene Stoffe (Xenobiotika) Klimaveränderung (insbes. Zunahme von extremen Trockenperioden und extremen Niederschlägen) Weltwasserkrise 24

25 Die Wassertechnik als ein Beitrag zur Lösung der Weltwasserkrise Abwasserreinigung für nachhaltigen Gewässerschutz Abwasserreinigung zur Schließung von Wasserkreisläufen in Industrie und Gewerbe Reinigung von Abwasser zu dessen Wiederverwendung (z.b. Bewässerung) Aufbereitung von Grund- und Oberflächenwasser zu einwandfreiem Trinkwasser Wasseraufbereitung für spezielle Nutzungen (z.b. Prozesswässer) Entsalzung von Brack- und Meerwasser 25

26 Vielfalt der Wasserinhaltsstoffe Ungelöste Stoffe Partikel, Kolloide wie bspw. Bakterien Parasiten Algen Tonpartikel... Viren Gelöste Stoffe organische Stoffe, hochmolekular organische Stoffe, mittlere Größe organische Stoffe, niedermolekular anorganische Stoffe: Ionen, mehrwertig Ionen, einwertig Gase Einige aktuelle Störstoffgruppen : hoher Salzgehalt (Meerwasser)... ~ kg / m 3 Fe, CO2, NOM, Nährstoffe...~ g / m 3 Mikroverunreinigungen (z. B. EDC s, Arzneimittelrückstände, Pestizide,div. Metabolite, MTBE, Industriechemikalien wie PFT, EDTA)...~ µg bis mg / m 3 persistente Pathogene...~ 1 Partikel / m 3 bzw ng / m 3 zukünftig Nanopartikel?! 26

27 Versorgungsmedien Wasser Lebenselement Natur, Landwirtschaft Lebensmittel Nr.1 Trinkwasser Universallösungsmittel Industrie, Gewerbe absolut unverzichtbar Gas Elektrischer Strom Radio, Telefon, TV, , Internet, usw. grundsätzlich verzichtbar 27

28 Nutzung des natürlichen Wasserkreislaufes zur (Trink)Wasserversorgung primäre Probleme (vor)gestern: Gewinnung, Verteilung heute und morgen: Gewinnung, Aufbereitung, Verteilung Abwassersammlung und -reinigung Gewässerschutz nachhaltiges, integrales Gewässermanagement (Kopplung Abwasserentsorgung und sonstige Gewässernutzung) Vermeidung von Nutzungskonflikten 28

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32 Ein mühseliges Verfahren, Wasser an einen höher gelegenen Ort zu bringen 32

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35 Schöpfmaschine mit zwei Hebeschüsseln für Handbetrieb 35

36 Zentrale Wasserversorgungsanlage in Lüneburg im 16. Jahrhundert 36

37 Eifersuchtszene bei einer Mahlzeit im gemeinsamen Wannenbad 37

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39 Stoffströme bei der Trinkwasseraufbereitung Energie Zusatzstoffe aufbereitung Wasserinhaltsstoffe Wasser- Nebenprodukte Wasserinhaltsstoffe (verändert) Rohwasser Wasser (inkl. Desinfektion Wasser Trinkwasser Rückstände (z.t. Wasserinhaltsstoffe z.t. Zusatzstoffe) 39

40 Impulsbilanz der Strömung (x-komponente) stationär und inkompressibel: Dv ρ x v = ρ v x v + v x v x y + vz Dt x y z DARCY: Trägheit p η = x k v x 0 p : Druck η : dynamische Viskosität ρ : Dichte des Fluids g x : massenbezogene Feldkraft k : Permeabilität x p 2 = + η vx + ρ g x Druck g x = η v k ρ Zähigkeit Feldkraft x x 40

41 Verfahrenstechnische Ziele bei der Wasseraufbereitung / Abwasserreinigung Entfernung von Feststoffen Entfernung gelöster Stoffe Entfernung oder Eintrag gasförmiger Stoffe 41

42 Adsorption zur Entfernung gelöster Störstoffe Adsorption = Anreicherung eines Stoffes an der Grenzfläche zwischen fluider und fester Phase (latein.: adsorbere = ansaugen) Ursache: Physikalisch-chemisch Wechselwirkungen zwischen einem Molekül und der Oberfläche eines Adsorptionsmittels, wie bspw. Aktivkohle. (Keine chemische Reaktion) 42

43 REM-Aufnahmen von Aktivkohlen, aus verschiedenen Rohstoffen hergestellt Holz Steinkohle innere Oberfläche: bis zu m 2 /g 43

44 Einsatzgebiete von Adsorptionsverfahren Trink-, Brauch- und Reinstwasseraufbereitung Entfernung von Geruchs- und Geschmacksstoffen Entfernung organischer Störstoffe Trägermaterial für Mikroorganismen Zersetzung von Ozon und Chlor Schwimmbadwasseraufbereitung Abwasserreinigung Industrieabwässer Kommunales Abwasser Industrielle Anwendung Entfärbung von Zuckerlösungen Reinigung von Speiseölen, Fetten, Spirituosen 44

45 Vorgänge bei der Adsorption ε q,i 2 ( t,r) q ( t,r ) q ( t,r ) t = D S,i 2 r q = K F c ( t, z) c( t,z) 6 β ( 1 ε) c L * + v F + = t z dp n + 2 r, i r ( c( t,z) c ( t, z) ) 0 45

46 Prinzip der Membranfiltrationsverfahren Umkehrosmose (RO) (HPRO) Richtung der Flüsse Nanofiltration (NF) (LPRO) Ultrafiltration (UF) Mikrofiltration (MF) keine Poren d pore 1 nm d pore nm d pore 50 nm Δp = bar Δp = 3-10 bar Δp = bar Δp = bar Membran Ungelöste Stoffe Partikel, Kolloide wie bspw. Bakterien Parasiten Algen Tonpartikel Viren Gelöste Stoffe organische Stoffe, hochmolekular organische Stoffe, mittlere Größe organische Stoffe, niedermolekular anorganische Stoffe: Ionen, mehrwertig Ionen, einwertig 46

47 Verfahrenstechnisches Prinzip der Membranfiltration V3 Rezirkulation Entsorgung Druckregelung Feed Zulauf V1 V2 Konzentrat Pumpe Filtrat Membran Feed Zulauf Konz. Konz. Konz. Konzentrat Membran Filtrat Cross-Flow Betrieb:V1 geöffnet Dead-End Betrieb: V1 geschlossen 47

48 UF/ MF Kapillarmembranen und module (Inge; Metawater; Pall; Puron; X-Flow; Zenon) 48

49 Aufbau einer Kapillarmembran 49

50 Example of Floc Trajectories (Radius = 30 µm) and Floc Velocity using CFD Dead-End In/Out UF capillary (radius: 0.4 mm, length: 1 m), flux: 80 L/m²h (Source: A. Lerch, PhD thesis 2008, Univ. Duisburg-Essen) 50

51 Dreilägerbach Talsperre (Nordeifel, Kreis Aachen) 51

52 Großtechnische Pilotanlage Kapazität: 150 m 3 /h Druckrohre à 6 m 4 Module pro Druckrohr Membranoberfläche: m 2 52

53 Gesamte TW-UF-Anlage gesamte Anlage: 12 Blöcke insges m² Membranfläche max. Kapazität: ca m³/h Ausbeute > 99,5% spez. Gesamtkosten < 0,1 /m³ größte Anlage in Deutschland 53

54 Verfahrensschema der zweistufigen UF-Membrananlage im Wasserwerk Roetgen, Aufbereitungskapazität: m³/h Talsperre Vorfiltration Pulverkohle (bei Bedarf) NaOH / CO 2 Al2 (SO4)3 Flockung (in-line) Ultrafiltration 1. Stufe Kalkstein-Filtration Desinfektion Rückführung schlammhaltige Wässer CO 2 NaOH (bei Bedarf) ohne Chemie Ultrafiltration 2. Stufe mit Chemie mit Chemie Neutralisation Vorfluter Behälter 54

55 UF-Membrananlage im WW Roetgen: Inbetriebnahme November

58 Die 10 weltweit größten MF und UF Anlagen zur Trinkwasseraufbereitung UF Anlage in Chestnut/ Singapore UF Anlage in Roetgen/ Germany 58

59 Growth of Membrane Market Source: Modified from Schippers, Mm³/d RO 10 UF/MF 5 ED NF

60 UF-Anwendungen: Elektrische Tauchlackierung 60

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62 Anlagenkonzept "Reinstwasser für die Halbleiterindustrie" (Hager+Elsässer) Reinstwasseraufbereitung Trinkwasser Polishing&Hook-up Loop Rohwasser: Trinkwasser Verfahren: Enthärtung, RO, UV-Oxidation, Entgasung, EDI, Mischbettentsalzung, UV (TOC), Polishermischbett, Entgasung, UF 62

63 MSF Plant Al Talweelah B Fisia Italimpianti (6 x m³/d) 63

64 Die Größte NF: Méry-sur-Oise in Frankreich 64

65 Verfahrensschema Grundwasserentcarbonisierung im WW Langenau mit Gewinnung von hochreinem Calciumcarbonat Entcarbonisierung auf der Kompaktflockungsanlage gemahlener Kontaktschlamm Flockungshilfsmittel Kontaktschlammvermahlung Überschußschlamm Rührwerkskugelmühle Dünnschlammspeicherung Kammern Ia Ib II IIIa IIIb IVa IVb Dünnschlamm zu den Filtern Zentrat (Klarwasser) Klarwasser zur Kompaktflockungsanlage Dünnschlamm entcarbonisiertes Grundwasser Löschwasser zu entcarbonisierendes Grundwasser hochreines Kalkwasser Flockungs- Kalkwasserbereitung hilfs- mittel Zentrifuge Kalksilo Mechanische Schlammentwässerung Mischer Slurry (hochreiner, eingedickter CaCO 3 - Schlamm) Slurryvorhaltung abgetrennte Stoffe Kontaktschlamm Löschung des Calciumoxids zu Calciumhydroxid Kalkmilchbereitung Lagerung und Dosierung von Calciumoxid Slurryspeicherung Slurryverladung Ladestation 65

66 Schema der neuen Trinkwasseraufbereitungsanlage des Wahnbachtalsperrenverbandes in Siegburg (6.000 m 3 / h) 66

67 Technik der Abwasserreinigung Kläranlage Kaßlerfeld (Ruhrverband) Rechen Sandfang Nachklärung (Schlammabtrennung nach FM-Zugabe) Energiestation Faulgastanks Faultürme Vorklärung Denitrifikation Nitrifikation Phosphat -elimierung Verwaltung Umlaufbecken (Belebtschlammverfahren) Kammerfilterpresse Regenwasserauffangbecken Schlammeindickung source: 67

68 Hochbiologie 68

69 Bayer-Turmbiologie, Biohochreaktor von Hoechst, Tankbiologie von Lurgi Geringer Platzbedarf Hohe Ausnutzung und wirtschaftlicher Eintrag von Sauerstoff Geringe Emission von Geruch und Lärm Niedriger Anteil an Überschussschlamm 69

70 Gesamtüberblick über ein industrielles Entsorgungszentrum 70

71 Bsp. Verfahrensschema Abwasser Trinkwasser Demonstrationsanlage in Denver / Colorado 71

72 Artificial Neural Networks (ANN) to Control and Optimize Operation of UF/MF Plants Input parameters, e.g. Temperature Turbidity Al-concentration Flocculation ph Feed pressure Backwashing conditions Flux Output parameters, e.g. TMP Optimum filtration time Optimum Al-conc. Neurons in a Perceptron 72

73 Berufsmöglichkeiten (Energie, Umwelt, Wasser) (national und zunehmend international) Produzierende Industrie Maschinen-, Apparate-, Anlagenbauer Ingenieurbüros, beratende Institutionen Ver- und Entsorgungsunternehmen Behörden, kommunale Einrichtungen Aus- und Fortbildungsinstitutionen 73