Chemische Technik I Verfahrenstechnik

Transkript

1 Chemische Technik I Verfahrenstechnik

2 Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Engineering ONLINE LIBRARY

3 Thomas Melin Robert Rautenbach Membranverfahren Grundlagen der Modulund Anlagenauslegung 2., vollstandig bearbeitete und wesentlich erweiterte Aufiage Mit 220 Abbildungen Springer

4 Prof. Dr. THOMAS MELIN RWTHAachen Institut flir Verfahrenstechnik Turmstr Aachen ROBERT RAUTENBACH t ISBN ISBN (ebook) DOI / Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uber abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschutzt. Die dadurch begrundeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder VervielfaItigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfiiltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in der jeweils geitenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergutungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2004 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2004 Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 2004 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in dies em Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der AnnalIme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden durften. SoUte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus funen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fur die Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualitat iibernehmen. Es empfiehit sich, gegebenenfalls fur die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gultigen Fassung hinzuzuziehen. Anzeigen: Edda Luckermann, Renate Birkenstock, Springer-Verlag, Heidelberger Platz 3,14197 Berlin Satz: Gelieferte Daten des Autors Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg Gedruckt auf saurefreiem Papier 68/3020/M

5 Danksagung Durch die Neuauflage hat sich die Anzahl derer, die das Buch mitgestaltet haben und fur die fachlichen Inhalte mitverantwortlich sind, weiter vergrobert. Neben denen, die den Grundstein fur die erste Auflage gelegt haben (Rainer Habbe, Rudiger Knauf, Thomas Linn, Georg Schneider, Alexander Struck, Jens Vier, Klaus VoBenkaul), m6chte ich mich daher an dieser Stelle bei folgenden Mitarbeitern der Membrangruppe am Institut fur Verfahrenstechnik bedanken: Andreas Brugger (Ultrafiltration und Mikrofiltration) Martin Gallenkemper (Anlagenentwurf / Modulanordnung) Stefan GeiBler (Moduloptimierung, Umkehrosmose) Jens Hoppe (Membrankontaktoren) Bernd Klinkhammer (Gaspermeation) Carsten Matthias (Stofftransport in Membranen) Mitja Medved (Membranwerkstoffe; Elektrodialyse) Johannes Meier (Nanofiltration) Michael Schleger (Modulkonstruktionen; Pervaporation und Dampfpermeation) Stefan Sommer (Pervaporation und Dampfpermeation) Thomas Wintgens (Stoffaustausch an Membranen) Siileyman Yuce (Kosten). Mein Dank gehort auch Rainer Gruber fur die Durchsicht des Manuskripts und Christiane Koper fur Redaktion, Formatierung und Prufung.

6 Vorwort Membranveifahren haben sich in so weit auseinanderliegenden Gebieten wie Wasserversorgung, Chemie-, Umwelt- und Medizintechnik etabliert. Unersetzlich sind sie zur Blutreinigung und fast konkurrenzlos bei der Konzentrierung von EiweiBen, der Zubereitung von Getranken, in kleineren Anlagen zur Luftzerlegung und bei der Meerwasserentsalzung. Ihr schnelles Wachstum ist gleichzeitig Ursache und Folge einer stetigen Entwicklung von Membranmaterialien, Membran-Anordnungen (Modulen), Anlagen und Betriebstechniken. Es ist aber ebenso wechselseitig verkntipft mit einem besseren Verstandnis der Membranprozesse bei einer zunehmenden Zahl von Naturwissenschaftlem, Ingenieuren und Kaufleuten. Auch Robert Rautenbachs Buch Membranveifahren ist gleichzeitig Motor und Produkt dieser Erfolgsgeschichte. Es ist jedoch auch mehr als das, namlich die fast makellos formulierte Essenz von 25 Jahren Pionierarbeit auf dem Gebiet Membrantechnik, ist Nachschlagewerk, Lehrbuch und Forschungsbericht. Diese zweite Auflage stellt nun den Versuch dar, so wenig wie moglich davon aufzugeben und doch intensiv auf die Entwicklung der letzten sieben Jahre einzugehen. Teils reichte dazu eine grtindliche Aktualisierung, teils wurde erweitert, teils neu formuliert. Das Kapitel Membran-Kontaktoren wurde hinzugefiigt, das Thema Membranmaterialien aus dem Einfiihrungskapitel herausgelost, stark erweitert und urn einen Teil anorganische Membranen erganzt. Auch die Kapitel Transport in Membranen, Modulkonstruktion, Pervaporation und Elektrodialyse wurden neu gestaltet. Neue apparative Entwicklungen wie die getauchten Module in der Abwassertechnik, die keramischen Membranen oder die isotherme Prozessfiihrung in der Pervaporation fanden ebenso Berticksichtigung wie neue Berechnungswerkzeuge, etwa die Stromungssimulation oder die Membran-Modellierung auf molekularer Ebene und wie neuere Theorien des Transportes in mikroporosen Feststoffen. Anfang 2000 bat mich Prof. Rautenbach, mit ihm gemeinsam die Neuauflage anzugehen. Nach seinem Tod dauerte es dann doch noch tiber zwei Jahre bis die zweite Auflage seines Buchs - und sein Buch ist es weiterhin - fertig geworden ist und ich hoffe, dass sie so viele Freunde finden wird wie die erste. 1m Marz 2003 Thomas Melin

7 Inhaltsverzeichnis 1 Membranprozesse - Triebkrafte und Transportwiderstande... l 1.1 Einleitung: Membranen, Module, Membranverfahren Grundbegriffe - Selektivitat, Fluss, Rtiekhalt Triebkrafte und Widerstande Universelle Triebkraft: Differenz des ehemisehen Potentials Transportwiderstande an der Membran Zusammenfassung Formelzeiehen und Indizierung Membranen - Strukturen, Werkstoffe und Herstellung Einleitung Klassifizierung von Membranen Organise he Membranen Membranmaterialien und deren Wahl Struktureigensehaften von Polymeren Betraehtung der Vorgange in Membranen auf der molekularen Ebene- Vorhersage der Permeabilitat von diehten Membranen Organisehe asymmetrisehe Membranen Organise he symmetrisehe Membranen Anorganisehe Membranen Historisehe Entwieklung der anorganisehen Membranen Symmetrisehe porose anorganisehe Trager Asymmetrisehe porose anorganisehe Membranen Zeolithmembranen - Akti ve Sehieht aus Zeolith-Kristallen Heterogene Membranen aus Kombination anorganiseher und organiseher Werkstoffe Porenfreie anorganisehe Membranen Fltissige Membranen, Membranen mit Carrier Erleiehterter Stofftransport dureh Membranen Literatur Modellierung des Stofftransportes in Membranen Einleitung Integrale Modellierung einer anisotropen Membran rnittels des Widerstand-Ersatzmodells Porenmodell fur Filtrationsanwendungen... 75

8 X Inhaltsverzeichnis 3.3 Losungs-Diffusions-Modell fur porenfreie Membranen Sorption Diffusion Kopplung des Stofftransports Berechnungsbeispiele Umkehrosmose verdiinnter SalzlOsungen Umkehrosmose organisch/wassriger Losungen Permeation idealer Gase Modelle fur den Gas- und Dampftransport in porosen Materialien Stoff transport in Makro- und Mesoporen Stoff transport in Mikroporen Transport in Membranen mit Oberflachenladungen Zusammenfassung Berechnungsbeispiele Formelzeichen und Indizierung Literatur Modulkonstruktionen Einleitung Anforderungen an Modulkonstruktionen Module mit Schlauchmembranen Rohrmodul Hohlfaser-/ Kapillarmodul Module mit Flachmembranen Plattenmodul Kissenmodul Wickelmodul Getauchte Module fur die Wasseraufbereitung Zusammenfassung Literatur Stoffaustausch an Membranen Triebkraftmindemde Effekte Lokale Transportwiderstande Feedseitige Konzentrationspolarisation Transportwiderstand der porosen Stiitzschicht Vorgehensweise zur Berechnung der ortlichen Membranleistung Einfluss der Einbaurichtung asymmetrischer Membranen MaBnahmen zur Verbesserung des Stoffuberganges an der Membran Erzeugung von Mehrphasenstromungen Formelzeichen und Indizierung Literatur Moduloptimierung Prinzipielle Vorgehensweise Stromungsfuhrung im Modul

9 Inhaltsverzeichnis XI 6.3 Axiale Rtickvermischung Moduloptimierung, Zielfunktionen Optimierung eines Hohlfasennoduls flir die Umkehrosmose Auslegung und Optimierung eines Wickelmodulelementes Fonnelzeichen und Indizierung Literatur Anlagenentwurf I Modulanordnung Einleitung Parallel- und Reihenschaltung Modulanordnung innerhalb einer Stufe Mehrstufige Anlagenverschaltung Gaspenneation Umkehrosmose Anlagenauslegung - Naherungsrechnungen Integration der differentiellen Bilanzen mit Vereinfachungen Abschatzung mittels integraler Bilanzen Fonnelzeichen und Indizierung Literatur Kosten Investitionskosten - Methoden zur Kostenschlitzung Faktonnethode nach H.J. Lang Ennittlung der Kosten fur die Hauptaggregate Verbesserte Faktonnethode nach Miller Kapazitatsmethode Laufende Kosten - Wirtschaftlichkeit Fixe Betriebskosten..., Variable Betriebskosten Spezifische Kosten Meerwasserentsalzung mittels Umkehrosmose zur Kesselspeisewassererzeugung Fonnelzeichen und Indizierung Literatur Umkehrosmose Einleitung Membranbestandigkeit Hydrolyse Bestandigkeit gegen freies Chlor Empfindlichkeit von Membranen gegentiber Sauerstoff und Ozon Bestandigkeit gegen LOsungsmittel Osmotischer Druck Viskositatseinfluss Membranverblockung infolge von Kristallisation (Scaling) Membranverblockung infolge Verschmutzungen (Fouling)

10 XII Inhaltsverzeichnis 9.7 Membranflachen-, Leistungs-und spezifischer Energiebedarf Beispiele fur den Einsatz der Umkehrosmose Beispiel: Riickgewinnung von -Caprolactam ( -Cap.) Beispiel: Reinigung von Deponiesickerwasser Aufgabe: Auslegung einer Meerwasserentsalzungsanlage Zusammenfassung Formelzeichen und Indizierung Literatur NanofIltration Abgrenzung zur Umkehrosmose und Ultrafiltration Kommerzielle NF-Membmnen, Einsatzgebiete Berechnung des Trennverhaltens von NF-Membmnen Donnan-Effekt Druck- und konzentrationsabhangiger Riickhalt Druckabhangigkeit Konzentmtionsabhiingigkeit Vergleich von NF und RO Zusammenfassung Formelzeichen und Indizierung Literatur Ultrafiltration ond MikrorIltration Verfahrensbeschreibung Membranen in der Ultra- und Mikrofiltration Mikrofiltrationsmembranen Ultmfiltrationsmembranen ProzessfUhrung und Modulsysteme Dead-End-Betrieb Cross-Flow-Betrieb Getauchte Membranen Modellierung des Stofftransportes bei der Ultra- und Mikrofiltration Diffusionsmodelle Hydrodynamische Modelle Fouling und chemische Reinigung Fouling Chemische Reinigung Anwendungen in der Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung Einsatzkonzepte Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Aufgabe Formelzeichen und Indizierung Literatur Elektrodialyse Verfahrensbeschreibung

11 Inhaltsverzeichnis XIll 12.2 Ionenaustauschennembranen: Prinzip, Eigenschaften und Herstellung Prinzip Eigenschaften Herstellung von Ionenaustauschennembranen Aufbau und Betriebsweisen von Elektrodialyseanlagen Aufbau Betriebsweisen der Elektrodialyse Auslegungvon ED-Anlagen Kosten und Anwendung des Verfahrens Verfahrensvarianten Berechnungsbeispiel: Auslegung einer Brackwasserelektrodialyse Fonnelzeichen und Indizierung Literatur Pervaporation / Dampfpermeation Verfahrensbeschreibung Membranen und Module Hydrophile Membranen Hydrophobe Membranen Module Diskussion der 1eistungsbestimmenden Parameter Leistungsminderung durch Po1arisationseffekte Verfahrensaus1egung Anwendungsbeispiele Leistungsverg1eich anorganischer Membranmaterialien Hybridprozess PervaporationiDestillation Kombination von PervaporationiDampfpenneation und Reaktion a1s Membranreaktor Zusammenfassung und Ausb1ick Fonnelzeichen und Indizierung Literatur Gaspermeation Ein1eitung Membranen: Trennmechanismen und Werkstoffe Trennmechanismen Membranwerkstoffe Modu1konstruktionen Hoh1fasennodullKapillarmodu Wicke1modu Kissenmodu Lokale Trenncharakteristik Trennung von Biniirgemischen Mehrkomponentengemische Jou1e-Thomson-Effekt Modu1- und Anlagenaus1egung

12 XIV Inhaltsverzeichnis Mittelwertrechnung Anwendungsbeispiele Stickstoffanreicherung Losemittelriickgewinnung aus Abluft Berechnungsbeispiele Formelzeichen und Indizierung Literatur Membrankontaktoren Einleitung Verfahrensprinzip Abgrenzung von anderen Membranprozessen Vergleich mit klassischen Kontaktapparaten Membranen Modulkonstruktionen Auslegung von Membrankontaktoren Auslegungsheuristika Auslegungsgleichungen Stofftransportvorgange in Membrankontaktoren Korrelationen fur Transportkoeffizienten Druckverlust und transmembraner Druck Auslegungsbeispiel Anwendungen Pertraktion Diffusionsdialyse Membrandestillation Kommerzielle Anwendungen Ausblick Anhang: Herleitung der allgemeinen Transportgleichung Formelzeichen und Indizierung Literatur Sachverzeichnis