Fachkolloquium des Arbeitskreises. Moderne Membran-Anwendungen in der Prozessindustrie

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1 Fachkolloquium des Arbeitskreises Der VDI führt gemeinsam mit dem Fraunhofer Institut IKTS, Hermsdorf ein Fachkolloquium am , 14:00 17:00 (18:00) Uhr im Fraunhofer IKTS; Michael-Faraday-Str. 1; Hermsdorf durch. Programm: Moderne Membran-Anwendungen in der Prozessindustrie 14:00 Dipl.-Ing. Karsten LItzendorf, VDI Eröffnung; Neues aus dem VDI; Zielstellung des Kolloquiums; Einführung in die Thematik 14:15 Dr. Ingolf Voigt; Fraunhofer IKTS Hermsdorf Möglichkeiten und Grenzen der Anwendung keramischer Membranen in der chemischen und Prozessindustrie 14:45 Dipl.-Ing. Andreas Stobbe, Fa. Andreas Junghans, Frankenberg Effektive Lösemittelentwässerung mit keramischen Membranen 15:15 Pause, Gespräche bei Kaffee und Kuchen 15:45 Dr. Ralf Kriegel; Fraunhofer IKTS Hermsdorf Hochreiner Sauerstoff für die lokale Versorgung von Kleinverbrauchern 16:15 Dr. Jörg Richter, Fraunhofer IKTS Hermsdorf Prozessmöglichkeiten beim Einsatz katalytischer Membranen 16:45 Diskussion, Zusammenfassung 17:00 Ende des Kolloquiums 17:00 Besichtigung des IKTS Details siehe Programm, Seite 3 Die Veranstaltung ist kostenlos; Gäste sind willkommen. Anmeldungen erbeten bis Die Anmeldung kann erfolgen über: Verein Deutscher Ingenieure VDI Hallescher Bezirksverein Franckestrasse Halle / Saale bv-halle@vdi.de Web: Dipl.-Ing. Karsten Litzendorf Leiter des Arbeitskreises Teichstr Merseburg k.litzendorf@vdi-leipzig.de Web:

2 Anfahrtsbeschreibung: Fraunhofer IKTS in Hermsdorf Michael-Faraday-Str. 1; Hermsdorf Mit dem PKW: Von der Ausfahrt Bad Klosterlausnitz / Hermsdorf (A9, Ausfahrt 23) folgen Sie der "Naumburger Straße" in Richtung Hermsdorf. Im Stadtzentrum (Kreisverkehr) biegen Sie rechts ab in die "Robert-Friese-Straße". Sie folgen dem Straßenverlauf in das Industrie- und Gewerbegebiet und biegen anschließend nach rechts ab in die "Michael-Faraday-Straße". Nach ca. 20 m erreichen Sie links das Gelände des IKTS. Von der Ausfahrt Hermsdorf-Ost (A4, Ausfahrt 56b) folgen Sie der "Geraer Straße" in Richtung Hermsdorf. Sie treffen auf die "Regensburger Straße", auf die Sie links einbiegen und dem Verlauf der Hauptstraße folgen. So gelangen Sie auf die Rodaer-Straße. Am Kreisverkehr biegen Sie nach rechts ab und folgen der Straße "Am Globus", welche in die "Robert-Friese-Straße" mündet. Links sehen Sie das Gebäude des IKTS und fahren danach links in die "Michael- Faraday-Straße". Nach ca. 20 m erreichen Sie links das Gelände des IKTS. IKTS Hermsdorfer Kreuz

3 Das Fraunhofer IKTS Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS betreibt mit seinen drei Institutsteilen in Dresden und Hermsdorf (Thüringen) anwendungsorientierte Forschung für Hochleistungskeramik. Als Forschungs- und Technologiedienstleister entwickelt das Fraunhofer IKTS moderne keramische Hochleistungswerkstoffe, industrierelevante Herstellungsverfahren sowie prototypische Bauteile und Systeme in vollständigen Fertigungslinien bis in den Pilotmaßstab. Das Institut arbeitet in acht marktorientierten Geschäftsfeldern, um keramische Technologien und Komponenten für neue Branchen, neue Produktideen und neue Märkte jenseits der klassischen Einsatzgebiete zu demonstrieren und zu qualifizieren. Dazu gehören keramische Werkstoffe und Verfahren, Maschinenbau und Fahrzeugtechnik, Elektronik und Mikrosysteme, Energie, Umwelt- und Verfahrenstechnik, Bio- und Medizintechnik, Optik sowie die Material- und Prozessanalyse. Das Fraunhofer IKTS gehört zu den weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Stofftrenntechnik unter Verwendung keramischer Materialien. Werkstoff-, Technologie- und Verfahrensexpertise greifen ineinander und ermöglichen so komplexe verfahrenstechnische Systeme für energieeffiziente Trennverfahren, chemische Umsetzung und Wertstoffrückgewinnung. Keramische Membranen, Filter, Adsorbenzien und Katalysatoren des Fraunhofer IKTS spielen eine zentrale Rolle bei Prozessen der Gasaufbereitung und Wasserbehandlung. Zudem werden keramische Membranverfahren mit innovativen Werkstoffen zu neuen Reaktor-konzepten kombiniert. In zahlreichen Labor- und Pilotanlagen werden fluidische, elektrochemische und thermomechanische Kenngrößen für die Stofftransportvorgänge und Reaktionen modelliert, validiert und optimiert. Mit umfangreichen Laboren, Technika und den Applikationszentren für Membrantechnologie und Bioenergie verfügt das Geschäftsfeld Umwelt- und Verfahrenstechnik über eine ausgezeichnete Infrastruktur, um Projekte verschiedenster Umfänge und Skalen realisieren zu können. Die Ergebnisse fließen direkt in Demonstrationsanlagen ein, die beim Kunden errichtet und durch das Fraunhofer IKTS betreut werden können. Teilnahme an der Besichtigung des Fraunhofer IKTS Nach dem Fachkolloquium besteht ab 17:00 Uhr bis ca. 18:00 Uhr die Möglichkeit, an der Besichtigung des Institutes teilzunehmen. Wer das möchte, sollte das bitte gesondert bei der Anmeldung zum Kolloquium mit angeben!

4 Kurzreferate der Vorträge zum Kolloquium Dr. Ingolf Voigt; Fraunhofer IKTS Hermsdorf Möglichkeiten und Grenzen der Anwendung keramischer Membranen in der chemischen und Prozessindustrie Die besonderen Eigenschaften der keramischen Membranen zeigen sich in ihrer hohen Stabilität unter chemisch-korrosiver, thermischer und mechanischer Belastung. Diese Stabilität ermöglicht den Einsatz keramischer Membranen in Anwendungen, wo Polymermembranen nicht verwendet werden können. Darüber hinaus können keramische Membranen mit starken Reinigungschemikalien gereinigt und/oder mit Heißdampf sterilisiert werden. Ein weiterer Vorteil besteht in einer hohen offenen Porosität, die auch bei hohen Prozessdrücken erhalten bleibt (keine Kompaktierung) und dem damit verbundenen hohen Fluss. Dem entgegnen steht der vergleichsweise hohe Preis keramischer Membranen, der in einem hohen Anteil manueller Fertigung und mehrmaliger Hochtemperaturbehandlung (Sinterung) begründet ist. Betrachtet man jedoch die Kosten der Membran nicht spezifisch zur Fläche sondern zum Fluss und berücksichtigt man die längere Lebensdauer keramischer Membranen, so gleicht sich der Preisunterschied in vielen Anwendungen an. In der Flüssigfiltration sind keramische Membranen vielfältig in der Mikrofiltration, Ultrafiltration und Nanofiltration im Einsatz. Anwendungen sind hier vor allem in der Abwasserreinigung und Prozesswasseraufbereitung, die mit keramischen Membranen häufig prozessintegriert, das heißt als Teilstrombehandlung mit Wasserkreislaufführung realisiert werden kann. Durch eine gezielte Hydrophobierung kann die Benetzbarkeit der Membranen auf organische Lösemittel angepasst werden, so dass ein Einsatz in nichtwässrigen Medien möglich wird. Hierbei zeigt sich, dass das Permeations- und Trennverhalten vom Lösemittel und der Wechselwirkung mit den Inhaltsstoffen abhängt und nur schwer vorhergesagt werden kann. Mit strukturporösen Materialien (Zeolithe, Kohlenstoff) lassen sich Membranen herstellen, die nicht mehr frei durchströmbar sind, sondern der Stofftransport diffusiv erfolgt. Mit derartigen Membranen lassen sich Gasgemische trennen. Spannende Anwendungen liegen hier im Hochdruck- und Hochtemperaturbereich z.b. zur CO2/CH4-Trennung, H2/CO(CO2)-Trennung und der Abtrennung von Wasserdampf. Mit den neuen Prüflaboren im Fraunhofer IKTS können solche Trennungen untersucht und z.t. pilotiert werden. Dipl-Ing. Andreas Stobbe; Fa. Andreas Junghans, Frankenberg Effektive Lösemittelentwässerung mit keramischen Membranen Die Firma Andreas Junghans beschäftigt sich seit einigen Jahren mit der Membranfiltration von organischen Lösemitteln und hat Ihr Portfolio darüber hinaus auf Anwendungen der Pervaporation/ Dampfpermeation ausgedehnt. Im Vortrag soll der Einsatz der Dampfpermeation in der Azeoptropenbrechung von Ethanol/ Wassergemischen und die Vorteile gegenüber herkömmlichen Aufbereitungstechniken aufgezeigt werden.

5 Ralf Kriegel 1, Frank Burgstedt 2, F. Linnekogel 3 Hochreiner Sauerstoff für die lokale Versorgung von Kleinverbrauchern ralf.kriegel@ikts.fraunhofer.de 1 Fraunhofer Institut für keramische Technologien und Systeme IKTS, Hermsdorf; 2 Tridelta Thermprozess GmbH, Hermsdorf 3 Ingenieurbüro F. Linnekogel, Bad Berka Sauerstoff (O2) wird in sehr unterschiedlichen Anwendungsbereichen eingesetzt, wobei bei geringen O2- Verbräuchen (z. B. Krankenhaus, Fischzucht, Abwasserbehandlung) in Europa die Versorgung mit Flaschengas oder Flüssig-O2 dominiert. Eine dezentrale O2-Erzeugung vor Ort z. B. durch PSA-Anlagen (Pressure Swing Adsorption) ist meist günstiger, liefert allerdings nur ein Produktgas mit 93 Vol-% O2. Bei kontinuierlicher Abnahme dominiert der spezifische Energieverbrauch die O2-Kosten, kleine Anlagen (< 200 Nm 3 /h; Nm 3 Norm-m 3 ) liegen mit 0,9 kwhel./nm 3 O2 deutlich höher als optimierte Großanlagen ( 0,4 kwhel./nm 3 O2 bei > 5000 Nm 3 /h). Eine Alternative zu den genannten Verfahren ist der Einsatz von keramischen MIEC-Membranen (MIEC - Mixed Ionic Electronic Conductor). Diese transportieren bei hoher Temperatur sowohl Oxidionen als auch elektronische Ladungsträger, was bei Anlegen unterschiedlicher O2-Partialdrücke zum Durchtritt von reinem Sauerstoff führt. Obwohl das Funktionsprinzip seit Ende der 1980er Jahre bekannt ist und seit Mitte der 1990er Jahre umfangreiche FuE-Projekte durch Air Products, Praxair, Air Liquide, Linde u. a. bearbeitet wurden, sind entsprechende Membrananlagen bisher nicht verfügbar. Am Fraunhofer IKTS wurden bisher mehrere Demonstratoren 1 auf Basis von MIEC-Membranen aufgebaut und getestet (> 9000 h). Sie arbeiten im Gegensatz zu den bislang präferierten Verfahrensvarianten im Vakuumbetrieb, da dieser geringe Materialbeanspruchungen hervorruft und eine Rückgewinnung der Kompressionsenergie entfällt. Auf Basis der Testdaten wurde ein Gerätekonzept entwickelt, das bereits im Kleinmaßstab dem Energieverbrauch der kryogenen Luftzerlegung nahe kommt und den kleiner PSA- Anlagen halbiert. Das Anlagenkonzept basiert in wesentlichen Teilen auf dem Industrieofenbau, dem Hauptgeschäftsfeld der Tridelta Thermprozess GmbH. Basierend auf deren Erfahrungen werden zur Realisierung der hohen Energieeffizienz hochwärmedämmende Isolationsmaterialien und hocheffiziente regenerative Wärmetauscher eingesetzt. Ökonomische Abschätzungen zeigen, dass nach Laufzeiten von 2 bis 5 Jahren deutliche Vorteile für die MIEC-Membrananlagen gegenüber den PSA-Anlagen resultieren. Erste kleinere Pilotanlagen werden gegenwärtig für Industriekunden aufgebaut. In einem gemeinsamen Projekt mit den Partnern Porzellanfabrik Hermsdorf und Ingenieurbüro Linnekogel soll die nächstgrößere Membrananlage mit 10 Nm 3 O2/h und einem prognostiziertem Energieverbrauch von 0,5 kwhel./nm 3 O2 errichtet und umfassend getestet werden. 1 Kriegel, R., in: J. Kriegesmann (Ed.), DKG Handbuch Technische Keramische Werkstoffe, Loseblattwerk, HvB- Verlag Ellerau, 119. Erg.-Lieferung, Nov. 2010, Kapitel , S. 1-46

6 Dr. Jörg Richter; Fraunhofer IKTS, Hermsdorf Prozessmöglichkeiten beim Einsatz katalytischer Membranen Die Begriffe Ressourcenschonung, Effizienzsteigerung und Prozessintensivierung treten momentan in der Forschungswelt gehäuft auf. Einen geeigneten Weg, diese Begrifflichkeiten auch inhaltlich zu unterlegen, stellt die Nutzung von katalytischen Membranen in ausgewählten chemischen Reaktionen und Prozessen dar. Durch die Kopplung einer an einem Katalysator ablaufenden chemischen Gleichgewichtsreaktion mit einer Membran, die je nach Bedarf Edukt-dosierend oder Produkt-abziehend eingesetzt werden kann, können Umsätze, Selektivitäten und somit Ausbeuten positiv beeinflusst und u.u. Prozessschritte eingespart werden. Diese Prinzipien sind bereits seit längerer Zeit bekannt, in der Industrie bisher jedoch noch nicht etabliert. Viele chemische Reaktionen laufen unter Bedingungen ab, unter denen nur anorganische Membranen stabil sind. Am Fraunhofer IKTS wird das know-how auf dem Gebiet der keramischen Katalysatoren mit dem know-how auf dem Gebiet der keramischen Membranen gekoppelt, um für ausgewählte chemische Reaktionen solche katalytischen Membranreaktoren zu entwickeln und deren Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik zu evaluieren. Beispiele dafür sind die Herstellung von Kohlenwasserstoffen (Methan, Methanol, ) aus regenerativ erzeugtem Wasserstoff und Kohlendioxid. Bei diesen Reaktionen entsteht neben dem gewünschten Reaktionsprodukt auch Wasser, welches bereits am Ort der Entstehung durch eine wasserselektive Membran abgetrennt werden soll. Weitere mögliche Reaktionsmechanismen neben der Entfernung von Reaktionswasser stellen z.b. Dehydrierungen, Hydrierungen oder Oxidationsreaktionen (z.b. partielle Oxidation zur Herstellung von SynGas) dar. Ziel ist es, für jede dieser Reaktionen geeignete katalytische Membranreaktoren entwickeln zu können. Am Beispiel der Methanisierung soll solch eine gemeinsam mit einem Industriepartner (MUW Screentec GmbH Erfurt) durchgeführte Entwicklung eines katalytischen Membranreaktors aufgezeigt werden. Bei der sogenannten Sabatier-Reaktion (CO2 + 4H2 <--> CH4 + 2H2O) wird das bisherige Abfallprodukt CO2 mittels regenerativ erzeugtem H2 in synthetisches Erdgas umgewandelt, welches ins Erdgasnetz eingespeist werden kann. Mittels einer in der Reaktionszone integrierten Membran kann in-situ das Wasser entzogen und somit eine Ausbeutesteigerung erzielt werden. Als Katalysator kommt ein kommerziell erhältliches Produkt zum Einsatz, welches sich bisher als Schüttung in einer innenbeschichteten wasserselektiven Kohlenstoff-Membran befindet.