Chemische Technik / Verfahrenstechnik

Transkript

1 Chemische Technik / Verfahrenstechnik

2 Thomas Melin Robert Rautenbach Membranverfahren Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung 3., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 322 Abbildungen und 76 Tabellen 123

3 Professor Dr. Thomas Melin RWTH Aachen Institut für Verfahrenstechnik Turmstraße Aachen Germany Professor Dr. Robert Rautenbach Ursprünglich erschienen unter: Rautenbach, R.: Membranverfahren Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Springer Berlin Heidelberg New York ISBN Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Digitale Vorlage das Autors Herstellung: LE-TEXJelonek, Schmidt& VöcklerGbR, Leipzig Einbandgestaltung: WMXDesign, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3100/YL

4 Vorwort In den vergangenen Jahren konnten sich Membranverfahren in der Wasserversorgung wie auch in der Chemie-, Umwelt- und Medizintechnik im Vergleich zu konventionellen Verfahrensstrategien mehr und mehr durchsetzen. Unersetzlich ist deren Einsatz zur Reinigung von Blut und fast konkurrenzlos zur Konzentrierung von Eiweißen, Zubereitung von Getränken, Luftzerlegung in kleineren Anlagen oder zur Meerwasserentsalzung. Das schnelle Wachstum dieser Technologie ist gleichermaßen Ursache wie auch Folge einer stetigen Entwicklung von Membranmaterialien, Modulkonfigurationen, Anlagenkonzepten und Betriebsweisen. Darüber hinaus sind naturwissenschaftliche, ingenieurwissenschaftliche und wirtschaftwissenschaftliche Aspekte für die Auslegung von Membranprozessen ausschlaggebend. Auch diese überarbeitete Version des Buches Membranverfahren versucht dem Anspruch der ersten Auflage von Robert Rautenbach gerecht zu werden, gleichermaßen Lehrbuch und Nachschlagewerk zu sein. Neben den Grundlagen zur Modul- und Anlagenauslegung wird ein Überblick über den Stand der Technik wie auch das Entwicklungspotential der unterschiedlichsten Membranverfahren gegeben. Im Zuge der Fertigstellung der dritten Auflage wurden die einzelnen Buchkapitel auf den aktuellen Stand gebracht und gegebenenfalls um einige Passagen erweitert. Das Kapitel Moduloptimierung wurde in die Kapitel Stoffaustausch an Membranen und Modulkonstruktionen eingearbeitet. Darüber hinaus wurde ein zusätzliches Kapitel zum Thema Membranreaktoren verfasst, welches einen Einblick in die Einsatzmöglichkeiten von Membranprozessen in der Reaktionstechnik liefert. Anwendungsbeispiele aus der Trinkwasseraufbereitung und Abwasserbehandlung sind zudem in das Kapitel Ultrafiltration und Mikrofiltration aufgenommen worden. Auch die dritte Auflage dieses Buches möchte ich Prof. Rautenbach widmen, ohne dessen Vorarbeit das Buch in der vorliegenden Form nicht existieren würde. Im Dezember 2006 Thomas Melin

5 Danksagung An der Fertigstellung der dritten Auflage des Buches waren zahlreiche Mitglieder der Membrangruppe des Institutes für Verfahrenstechnik der RWTH Aachen beteiligt. Daher möchte ich mich an dieser Stelle bei folgenden Mitarbeitern recht herzlich bedanken: Marc Ajhar (Gaspermeation) Steffen Bütehorn (Ultrafiltration und Mikrofiltration) Clemens Fritzmann (Umkehrosmose) Matthias Gloede (Elektrodialyse) Jens Hoppe (Membrankontaktoren) Chen Ning Koh (Modulkonstruktionen) Florian Krull (Membranwerkstoffe) Sven Lyko (Anlagenentwurf und Modulanordnung) Carsten Matthias (Stofftransport in Membranen) Farhad Salehi (Nanofiltration) Michael Schleger (Modulkonstruktionen; Pervaporation und Dampfpermeation) Thomas Westermann (Membranreaktoren) Thomas Wintgens (Stoffaustausch an Membranen) Süleyman Yüce (Kosten). Darüber hinaus gilt mein Dank Klaus Voßenkaul für die Durchsicht des Kapitels Modulkonstruktionen, Walter Dautzenberg und Christoph Brepols für deren Beiträge zur Fertigstellung des Unterkapitels Anwendungsbeispiele aus der Trinkwasseraufbereitung und Abwasserbehandlung, Thomas Harlacher für die Formatierung der überarbeiteten Buchkapitel und ganz besonders Steffen Bütehorn für die Gesamtredaktion.

6 Inhaltsverzeichnis 1 Membranprozesse - Triebkräfte und Transportwiderstände Einleitung: Membranen, Module, Membranverfahren Grundbegriffe Selektivität, Fluss, Rückhalt Triebkräfte und Widerstände Universelle Triebkraft: Differenz des chemischen Potenzials Transportwiderstände an der Membran Zusammenfassung...16 Formelzeichen und Indizierung Membranen Strukturen, Werkstoffe und Herstellung Einleitung Klassifizierung von Membranen Organische Membranen Membranmaterialien und deren Wahl Struktureigenschaften von Polymeren Betrachtung der Vorgänge in Membranen auf molekularer Ebene Vorhersage der Permeabilität dichter Membranen Organische asymmetrische Membranen Organische symmetrische Membranen Anorganische Membranen Historische Entwicklung der anorganischen Membranen Symmetrische poröse anorganische Träger Asymmetrische poröse anorganische Membranen Zeolithmembranen - Aktive Schicht aus Zeolith-Kristallen Heterogene Membranen aus Kombination anorganischer und organischer Werkstoffe Porenfreie anorganische Membranen Flüssige Membranen, Membranen mit Carrier Erleichterter Stofftransport durch Membranen...65 Literatur...66

7 X Inhaltsverzeichnis 3 Modellierung des Stofftransportes in Membranen Einleitung Porenmodell für Filtrationsanwendungen Lösungs-Diffusions-Modell für porenfreie Membranen Sorption Diffusion Berechnungsbeispiele Modelle für den Gas- und Dampftransport in porösen Materialien Stofftransport in Makro- und Mesoporen Stofftransport in Mikroporen Transport in Membranen mit Oberflächenladungen Zusammenfassung Berechnungsbeispiele Formelzeichen und Indizierung Literatur Stoffaustausch an Membranen Triebkraftmindernde Effekte Lokale Transportwiderstände Feedseitige Konzentrationspolarisation Transportwiderstand der porösen Stützschicht Axiale Rückvermischung Vorgehensweise zur Berechnung der örtlichen Membranleistung Einfluss der Einbaurichtung asymmetrischer Membranen Maßnahmen zur Verbesserung des Stoffübergangs an der Membran Erzeugung von Mehrphasenströmungen Feed-Spacer in Membranmodulen Formelzeichen und Indizierung Literatur Modulkonstruktionen Einleitung Strömungsführung im Modul Anforderungen an Modulkonstruktionen Module mit Schlauchmembranen Rohrmodul Hohlfaser-/ Kapillarmodul Module mit Flachmembranen Plattenmodul Kissenmodul Wickelmodul Getauchte Module für die Wasseraufbereitung Moduloptimierung Konstruktive Maßnahmen zur Optimierung des Stoffaustausches Kostenoptimierung Zusammenfassung

8 Inhaltsverzeichnis XI Formelzeichen und Indizierung Literatur Anlagenentwurf und Modulanordnung Einleitung Parallel- und Reihenschaltung Modulanordnung innerhalb einer Stufe Mehrstufige Anlagenverschaltung Gaspermeation Umkehrosmose Anlagenauslegung Näherungsrechnungen Integration der differentiellen Bilanzen mit Vereinfachungen Abschätzung mittels integraler Bilanzen Formelzeichen und Indizierung Literatur Kosten Investitionskosten - Methoden zur Kostenschätzung Faktormethode nach H.J. Lang Ermittlung der Kosten für die Hauptaggregate Verbesserte Faktormethode nach Miller Kapazitätsmethode Laufende Kosten Wirtschaftlichkeit Fixe Betriebskosten Variable Betriebskosten Spezifische Kosten Meerwasserentsalzung mittels Umkehrosmose zur Kesselspeisewassererzeugung Formelzeichen und Indizierung Literatur Umkehrosmose Einleitung Membranbeständigkeit Hydrolyse Beständigkeit gegen freies Chlor Empfindlichkeit von Membranen gegenüber Sauerstoff und Ozon Beständigkeit gegen Lösungsmittel Osmotischer Druck Viskositätseinfluss Membranverblockung infolge von Kristallisation (Scaling) Membranverblockung infolge Verschmutzungen (Fouling) Membranflächen-, Leistungs- und spezifischer Energiebedarf Beispiele für den Einsatz der Umkehrosmose Beispiel: Rückgewinnung von ε-caprolactam (ε-cap.) Beispiel: Reinigung von Deponiesickerwasser...270

9 XII Inhaltsverzeichnis 8.9 Aufgabe: Auslegung einer Meerwasserentsalzungsanlage Kostentwicklung der Trinkwassergewinnung aus Meerwasser Zusammenfassung Formelzeichen und Indizierung Literatur Nanofiltration Abgrenzung zur Umkehrosmose und Ultrafiltration Kommerzielle NF-Membranen, Einsatzgebiete Berechnung des Trennverhaltens von NF-Membranen Donnan-Effekt Druck- und konzentrationsabhängiger Rückhalt Druckabhängigkeit Konzentrationsabhängigkeit Vergleich von NF und RO Zusammenfassung Formelzeichen und Indizierung Literatur Ultrafiltration und Mikrofiltration Verfahrensbeschreibung Membranen in der Ultra- und Mikrofiltration Mikrofiltrationsmembranen Ultrafiltrationsmembranen Prozessführung und Modulsysteme Dead-End-Betrieb Cross-Flow-Betrieb Getauchte Membranen Modellierung des Stofftransportes bei der Ultra- und Mikrofiltration Diffusionsmodelle Hydrodynamische Modelle Membranfouling Foulants Foulingmechanismen und -phänomene für poröse Membranen Einfluss der Membraneigenschaften auf das Foulingverhalten Chemische Reinigung Anwendungen in der Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung Einsatzkonzepte Anwendungsbeispiele aus der Trinkwasseraufbereitung und Abwasserbehandlung Berechnungsbeispiel Formelzeichen und Indizierung Literatur

10 Inhaltsverzeichnis XIII 11 Elektrodialyse Verfahrensbeschreibung Ionenaustauschermembranen: Prinzip, Eigenschaften und Herstellung Prinzip Eigenschaften Herstellung von Ionenaustauschermembranen Aufbau und Betriebsweisen von Elektrodialyseanlagen Aufbau Betriebsweisen der Elektrodialyse Auslegung von ED-Anlagen Ermittlung der erforderlichen Membranfläche Grenzstromdichte Kosten und Anwendung des Verfahrens Verfahrensvarianten Donnan-Dialyse Kombination der Elektrodialyse mit Ionenaustausch Elektrodialyse mit bipolaren Membranen Weitere Anwendungsvarianten Berechnungsbeispiel: Auslegung einer Brackwasserelektrodialyse Aufgabenstellung Lösung Formelzeichen und Indizierung Literatur Pervaporation / Dampfpermeation Verfahrensbeschreibung Membranen und Module Hydrophile Membranen Hydrophobe Membranen Module Diskussion der leistungsbestimmenden Parameter Leistungsminderung durch Polarisationseffekte Verfahrensauslegung Anwendungsbeispiele Leistungsvergleich anorganischer Membranmaterialien Hybridprozess Pervaporation/Destillation Zusammenfassung und Ausblick Formelzeichen und Indizierung Literatur Gaspermeation Einleitung Trennmechanismen von GP-Membranen Stofftransport in porösen Membranen Stofftransport in mikroporösen Membranen Stofftransport in dichten Membranen...450

11 XIV Inhaltsverzeichnis 13.3 Membranwerkstoffe Polymerwerkstoffe Anorganische Werkstoffe Modulkonstruktionen Hohlfasermodul / Kapillarmodul Wickelmodul Kissenmodul Lokale Trenncharakteristik Trennung von Binärgemischen Mehrkomponentengemische Joule-Thomson-Effekt Modul- und Anlagenauslegung Kennfelder Mittelwertrechnung Anwendungsbeispiele Stickstoffanreicherung Lösemittelrückgewinnung aus Abluft Berechnungsbeispiele Formelzeichen und Indizierung Literatur Membrankontaktoren Einleitung Verfahrensprinzip Abgrenzung von anderen Membranprozessen Vergleich mit klassischen Kontaktapparaten Membranen Modulkonstruktionen Auslegung von Membrankontaktoren Auslegungsheuristiken Auslegungsgleichungen Stofftransportvorgänge in Membrankontaktoren Korrelationen für Transportkoeffizienten Druckverlust und transmembraner Druck Auslegungsbeispiel Anwendungen Pertraktion Diffusionsdialyse Membrandestillation Kommerzielle Anwendungen Zusammenfassung und Ausblick Anhang A: Herleitung der allgemeinen Transportgleichung Anhang B: Beschreibung des Stoffdurchgangs Formelzeichen und Indizierung Literatur

12 Inhaltsverzeichnis XV 15 Membranreaktoren Einleitung Extraktorprinzip Selektive Produktentfernung Pervaporationsmembranreaktoren Katalysatorrückhalt Distributorprinzip Partielle Oxidationsreaktionen Kopplung von Reaktionen Kontaktorprinzip Mehrphasenkontaktor Unselektiver Grenzflächenkontaktor Erzwungene Durchströmung Flüssige Membranen Membranbioreaktoren Selektive Produktentfernung Rückhalt von Biokatalysator Selektive Substratzugabe Mehrphasenkontaktor Membranbioreaktoren in der Wasseraufbereitung Zusammenfassung Formelzeichen und Indizierung Literatur Sachverzeichnis...573