Pervaporation. Verfahrenstechnisches Praktikum FS08. März 2008 Angela Brändli Thea Stahel Raffaela Scheurer

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1 ervaporation S08 ärz 008 Angela Brändli Thea Stahel Raffaela Scheurer

2 Inhaltsverzeichnis 1. Zusammenfassung...3. Summary Vertiefte Aufgabenstellung Theoretischer Teil embrantrennverfahren ervaporation raktischer Teil Apparatives Versuchsprogramm ixe rameter Zielgrössen Einflussgrössen Sicherheitshinweise zu Ethanol raktische Durchführung Analytik Resultate Interpretation der Resultate...10 Diskussion ermeatstrom ermeabilität Ausblick Anhang liessbild Abkürzungen ormelsammlung Rohdaten / Versuchsprotokolle Auswertungen Versuchsanleitungen...16 / 16

3 1. Zusammenfassung Ziel dieses Versuches war es, die ervaporation in Bezug auf die Trennung von Ethanol und Wasser bei verschiedenen Temperaturen zu untersuchen. Dazu wurde die Anlage bei zwei Temperaturen (80 C und 95 C) betrieben und jeweils dreimal eine essung bei verschiedenen Wassergehalten vorgenommen. Zur Darstellung der essresultate wurde die ermeatstromdichte gegen den prozentualen Wassergehalt des ermeats und die ermeabilität gegen den Stoffmengenanteil an Wasser im ermeat aufgetragen. ermeatstrom (Wasserfluss) quadratisch ermeabilität ohne Nr R C 95 C C 95 C R 1 p(wasser) [mol/h*bar*m] R R Wa sse r [ a sse ] Wasser [mol/mol] 3 / 16

4 . Summary The goal of this experiment was to examine the pervaporation in relation to the disconnection of ethanole and water at different temperatures. or this the construction was operated at two temperatures (80 C and 95 C) and three times the co ncentration of water was measured. To describe the results, the current density of the permeat was plotted against the concentrations of water in percent. or another description the permeability was plotted against the amount of substance of water in the permeat. ermeatstream quadratic ermeability without no 6 current density ofthe permeat [g(o)/m*h] R R 1 80 C 95 C p(water) [mol/h*bar*m] R 1 R C 95 C water [mass ] water [mol/mol] Datum/Unterschriften: 4 / 16

5 3. Vertiefte Aufgabenstellung Die Diskussion um alternative Brennstoffe zum langsam knapp werdenden Benzin ist in vollem Gange. och oben auf der Liste steht Ethanol. Schon seit einigen Jahren wird dem Benzin Ethanol in geringen engen beigesetzt. Er dient als Ablöser des früher verwendeten TBE (ethyl-tertbutylether), welches die Klopffestigkeit des reinen Benzins erhöht. Durch das Beimischen eines grösseren Anteils an Ethanol, wird nicht nur der Benzinverbrauch eingedämmt, sondern auch der Umwelt ein Dienst getan, da die einstaubemissionen, sowie der C -Ausstoss vermindert werden. Es gibt heute bereits Autos, welche mit reinem Ethanol angetrieben werden. In vielen Ländern werden Studien betrieben, um den Anteil am gesamten Kraftstoffverbrauch an erneuerbaren Energien wie Ethanol zu steigern. Es ist daher voraussehbar, dass der Verbrauch an Ethanol in Zukunft rasant steigen wird. Ethanol wird hauptsächlich aus biologischen rozessen wie der Gärung gewonnen. Dieser so genannte Bioethanol ist durch die roduktion mit Wasser vermischt. Der Ethanol, welcher für die Benzinbeimischung bzw. den Kraftstoffersatz verwendet wird, darf jedoch nur einen verschwindend kleinen Gehalt an Wasser aufweisen. ittels der ervaporation kann dies erreicht werden. Da sich durch keine andere optimale ethode das azeotrope Gemisch trennen lässt. 4. Theoretischer Teil [1] 4.1. embrantrennverfahren Eine Eigenschaft von embranen ist, eine Komponente zurückzuhalten oder durchzulassen. Die fachlichen Ausdrücke hierfür sind, retenieren resp. permeieren. Das Zurückhalten erfolgt dabei selektiv und hängt ab von der orenstruktur der embran sowie von der unterschiedlichen Löslichkeit und Diffusionskoeffizienten der zu trennenden Komponenten. an unterscheidet zwei Arten von embranen: 1) orenmembran ) Löslichkeitsmembran Bei einer orenmembran erfolgt die Trennung nach der olekülgrösse, wie in Abbildung 1 dargestellt. Als anschauliches Beispiel dient hier die iltration einer Suspension. Abbildung 1: Schematische Darstellung einer orenmembran Bei der Löslichkeitsmembran (Abbildung ) spielen die Löslichkeit und der Diffusionskoeffizient eine entscheidende Rolle. 5 / 16

6 Um den Stofftransport zu beschreiben verwendet man das Lösungs Diffuisions odell. Dabei nimmt man an, dass die Komponenten im olymer (embran) gelöst werden und anschliessend hindurch diffundieren. Die erfolgte Selektivität hängt von der Sorption (verursacht von den Wechselwirkungskräften) von den zu trennenden Komponenten in der embran ab. Aus diesem Grund sorbieren hydrophile embrane vor allem polare Substanzen und hydrophobe die unpolaren Stoffe. Im praktischen Teil wurde zur Trennung des Ethanol/ Wassergemisch eine hydrophile embran verwendet um den Wasseranteil im Gemisch zu verringern. Abbildung : Schematische Darstellung einer Löslichkeitsmembran 4.. ervaporation Bei der ervaporation wird eine Löslichkeitsmembran verwendet und als Triebkraft herrscht die ugazitätsdifferenz. Unter ugazität versteht man die lüchtigkeit eines Stoffes. Abbildung 3: Schematische Darstellung einer ervaporationseinheit Das Spezielle dieses Verfahrens (Abbildung 3) ist, dass zusätzlich noch eine hasenumwandlung stattfindet. Der flüssige eed (Zulauf) wird in ein flüssigen Retentatstrom und einem dampfförmigen ermeatstrom gespalten. Das ermeat wird im Anschluss wieder kondensiert. Damit die erforderliche ugatitätsdifferenz zustande kommt, wird der artialdruck auf der ermeatseite gesenkt. Dies erreicht man mit ilfe eines Vakuums. 6 / 16

7 Anwendungsgebiete der ervaporation: Abtrennung von Wasser aus organisch wässerigen Systemen (kann auch umgekehrt erfolgen nach olarität der embran) Trennung von azeotropen Gemischen Rückgewinnung von Lösungsmitteln 5. raktischer Teil 5.1. Apparatives Das Verfahrensfliessbild ist im Anhang 7.1. zu finden. 5.. Versuchsprogramm ixe rameter fentemperatur : essung C : essung C eed Druck : essung bar : essung bar embrantyp : CC-V31 Charge : BA BA Invers 5... Zielgrössen ermeatstromdichte, erhalten aus dem ermeatfluss und dem Ethanolgehalt des ermeats (ormel 3 in Anhang 7.3.). ermeabilität, berechnet aus dem ermeatstrom, der embranfläche, des Dampfdruckes des Wassers im eed und im ermeat (ormel 19 in Anhang 7.3.) Einflussgrössen Die Aktivität der beiden Komponenten, Wasser und Ethanol, haben Einfluss auf die Berechnungen der Zielgrössen, da sie zwischenmolekulare Wechselwirkung miteinander eingehen. 7 / 16

8 5.3. Sicherheitshinweise zu Ethanol Summenformel : C 5 olaremasse : g/mol Dichte : 0.79 g/cm 3 Schmelzpunkt : -114 C Siedepunkt : 78 C R Sätze : 11 S Sätze : ; 7; 16 AK- Wert : 500 ml/m 3 bzw. 960 mg/m 3 Untere Explosionsgrenze : 3.5 Vol bere Explosionsgrenze : 15 Vol Berechnung der Vol Ethanol in einem Raum Volumen Raum : V enge Ethanol : m olare asse : V m :.41 l/mol m V ( Ethanol) V m * V ( Ethanol) *100 Vol( Ethanol) V Annahme Kapelle asse Ethanol V 4m l 400g (Annahme für die verwendete Apparatur) * Liter * Vol kann zur Explosion gelangen! 5.4. raktische Durchführung Die Apparatur wurde mit einem Gemisch aus Ethanol und Wasser gefüllt. Nachdem die ervaporation über Nacht lief, wurden 1 ml bzw. 10 ml Wasser mittels einer Spritze zugegeben. Das Gemisch wurde auf eine Temperatur von 80 C bzw. 95 C erhitzt. Als die Temperatur konstant war, wurde die erste essung gestartet. Dazu wurde das ermeat in einer vorher tarierten Kühlfalle aufgefangen. Nach der älfte der esszeit wurde eine robe dem eed entnommen um die mittlere eedkonzentration zu ermitteln. Aus dem ittelwert der permanent gemessenen Temperatur des eeds und des Retentats wurde die mittlere eedtemperatur ermittelt. Bei jeder Temperatur wurden jeweils hintereinander drei essungen vorgenommen. 8 / 16

9 Analytik Die einzelnen roben von eed und Retentat wurden mittels Dichtebestimmung auf ihren Ethanolgehalt untersucht. it der Tabelle in Anhang wurde der prozentuale Anteil an Ethanol bestimmt (Resultate in Anhang 7.5..) Resultate Tabelle 1: Resultate zu ermeatstrom und ermeabilität Nr. Gehalt an Wasser im ermeat Wasser in ermeat ermeatstromdichte ermeatstrom Wasser ermeabilität Wasser [] [mol/mol] [g /m h] [mol/h] [mol/h*bar*m 3 ] ermeatstrom (Wasserfluss) quadratisch 800 ermeatstromdichte [g(o)/m*h] R R 1 80 C 95 C Wasser [asse ] Abbildung 4: quadratische Auftragung des ermeatstroms Gefittete Kurven: 80 C: y94.48*x C: y175.33*x / 16

10 ermeabilität ohne Nr C p(wasser) [mol/h*bar*m] R 1 R C Wasser [mol/mol] Abbildung 5: linearisierte Autragung der ermeabilität Gefittete Geraden: 80 C. y *x C: y-1.657*x+.03 Rohdaten und Berechnungen finden sich in Anhang 7.4. und Interpretation der Resultate Aus den essungen wurde ersichtlich, dass mit zunehmender Temperatur die Umsetzung schneller erfolgte, jedoch erhöhte sich gleichzeitig der Druck im System. ür die gleiche ermeatstromdichte ergabt sich jedoch für die höhere Temperatur einen höheren Ethanolgehalt im ermeat. ür die Ermittlung der optimalen Temperatur ist dies ein aktor, der ebenfalls beachtet werden muss. 10 / 16

11 6. Diskussion Die praktische Durchführung bereitete keine robleme. Zu beachten ist aber, dass mit lüssigstickstoff und unter vermindertem Druck gearbeitet wird ermeatstrom Die Grafik zum ermeatstrom wurde linear und quadratisch gefittet (Anhang ). Aus diesen Grafiken wird ersichtlich, dass die lineare Auftragung zu einem kleineren Regressionsfaktor führte. Dies lässt auf eine quadratische Abhängigkeit schliessen. 6.. ermeabilität Bei diesem Experiment mussten für die Linearisierung der ermeabilität bei 95 C ein esspunkt weggelassen werden, da dies ein Ausreisser war. Dies wurde ersichtlich da beim miteinbeziehen dieses esspunktes die Steigung der 95 C-Kurve posi tiv war, jedoch ist dies aus physikalischen Gründen unwahrscheinlich. Die Kurve sollte wie bei der tieferen Temperatur eine negative Steigung aufweisen. it mehr esspunkten hätte dieser ehler relativiert werden können Ausblick Es müssten mehr esswerte aufgenommen werden um eine aussagekräftigere Kurve zu erhalten, wie schon oben erwähnt. Ebenso würde das essen bei grösserer Temperaturvariation zu einer ptimierung der essbedingungen führen. 11 / 16

12 7. Anhang 7.1. liessbild 1 / 16

13 7.. Abkürzungen Kürzel Einheit Bezeichnung Sdampf [mbar] Sattdampf von Wasser Sdampf [mbar] Sattdampf von Ethanol Dd [mbar] Dampfdruck Wasser im eed Dd [mbar] Dampfdruck Ethanol eed Dd [mbar] Dampfdruck Wasser im ermeat Dd [mbar] Dampfdruck Ethanol im ermeat st [mol l -1 ] ermeatstrom Wasser er [mol h -1 bar -1 m -3 ] ermeabilität von Wasser A [m ] embranfläche [mol l -1 ] olare asse von Wasser [mol l -1 ] olare asse von Ethanol T [g] Tara B [g] Brutto N [g] Netto t [min] Dauer L [g m - h -1 ] ermeatfluss D [g m - h -1 ] ermeatstromdichte [] rozent- Anteil Ethanol im ermeat [] rozent- Anteil Wasser im ermeat [] rozent- Anteil Ethanol im eed [] rozent- Anteil Wasser im eed [mol mol -1 ] Anteil Ethanol im ermeat [mol mol -1 ] Anteil Wasser im ermeat [mol mol -1 ] Anteil Ethanol im eed [mol mol -1 ] Anteil Wasser im eed S [ - ] Selektivität T [ C] eed Temperatur R T [ C] Retentat Temperatur m T [ C] ittlerer eed Temperatur V [mbar] Vakuum nach der embran AK [ - ] Aktivitätskoeffizient von Ethanol AK [ - ] Aktivitätskoeffizient von Wasser a [ l g - ] - b [ l g -1 ] - c [] Achsenabschnitt w i [] Gehalt an Komponente i w x [] Gehalt an Komponente w ρ [g l -1 ] Dichte 13 / 16

14 14 / ormelsammlung 1 T B N t A N L * 60 * (100 * ) L D 4 ) ( 5 ) ( S 7 T T T R m ) * ( ) 1.701*( exp AK + 11 ) * ( ) 0.945*( exp AK +

15 1 Sdampf 1.333* mt Sdampf 1.333* mt Dd AK Sdamfp * * Dd Sdampf * * AK V * Dd Dd V * 18 st D * A 19 er st ( A* ( Dd Dd )) 0 1 w i a * ρ + b * ρ + c w X 100 w X 15 / 16

16 7.4. Rohdaten / Versuchsprotokolle Temperatur: 80 C Temperatur: 95 C 7.5. Auswertungen 7.6. Versuchsanleitungen 7.7. Literatur [1]. Baerns, A. Behr; Technische Chemie; Wiley VC, Weinheim, 006 (Inkl. Abbildungen 1-3) 16 / 16