Membranverfahren: Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung

388 Pages·1997·12.051 MB·German

by  Prof. Dr. Robert Rautenbach (auth.)

Chemische Technik I Verfahrenstechnik
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Robert Rautenbach
Membranverfahren
Grundlagen
der Modul- und Anlagenauslegung
Mit 218 Abbildungen und 69 Tabellen
Springer
Prof. Dr. Robert Rautenbach
Rheinisch-Westfalische Technische Hochschule Aachen
Institut fur Verfahrenstechnik
Turmstr. 46
52056 Aachen
ISBN 978-3-662-08656-8
Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme
Rautenbach, Robert:
Membranverfahren : Grundlagen der Modul-und Anlagenauslegung ; mit
69 Tab ellen I Robert Rautenbach.
ISBN 978-3-662-08656-8 ISBN 978-3-662-08655-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-08655-1
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997
Ursprüng1ich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1997
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1997
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Alles menschliche Tun und Denken geht den Weg vom Primitiven
ilber das Komplizierte zum Einfachen
Antoine de Saint-Exupery, 1939
Vorwort
Membranverfahrenhaben sich in den vergangenen 15 Jahren von einem exoti
schen Sonderverfahren zu einem zuverHissigen Standardverfahren entwickelt.
Fiir die Zwecke der Meerwasserentsalzung und Abwasseraufbereitung, aber
auch fiir die Trennung organischer Stoffgemische in der chemischen Industrie
stehen Polymer-und anorganische Membranen zur Verfiigung, die selektiv,
leistungsfahig und in hohem MaBe thermisch, chemisch und mechanisch
bestandig sind.
Vor diesem Hintergrund gewinnen ingenieurmaBige Fragestellungen, wie
- Modulentwicklung und Moduloptimierung
- ProzeBentwicklung, d.h. die Auslegung von Membrananlagen und die
Kombination von Membranstufen mit anderen Grundoperationen, wie
Reaktion, Destillation und Kristallisation
an Bedeutung.
Die heiden Aufgabenstellungen sind deutlich unterschiedlich, obwohl so
wohl die Grundlagen - Experimente, Bilanzen und Transportansatze - als
auch die Vorgehensweise gleich sind. ·
Die Modulentwicklung und -optimierung muB alle ortlichen Transport
widerstande und deren Anderung entlang des Moduls in die Rechnung einbe
ziehen. Eine Moduloptimierung erfordert daher neben der experimentellen
Bestimmung der Membrancharakteristik in aller Regel eine aufwendige
numerische Rechnung. Die ProzeBentwicklung andererseits, die auf stro
mungstechnisch und druckverlustoptimierte Module zuriickgreifen kann,
benotigt hingegen neben Experimenten sowohl einfache Naherungslosungen
(short-cut methods) als auch aufwendige numerische Modelle.
Dabei sind fiir die ProzeBentwicklung Naherungslosungen von iibergeord
neter Bedeutung, da die meisten Investitionsentscheidungen in einem sehr
friihen Planungsstadium und mit begrenztem zeitlichen Aufwand an Inge
nieurstunden erfolgen miissen.
Entsprechend ist der Schwerpunkt dieses Buches gesetzt: Ausgehend von
den verfahrenstechnischen Grundlagen werden Methoden angegeben und
hinsichtlich Genauigkeit und Grenzen diskutiert, die den Leser in die Lage ver
setzen, Anlagen schnell und doch mit ausreichender Genauigkeit auszulegen
und mit Alternativen zu vergleichen.
Diese Methoden haben zudem den Vorteil, daB sie wesentlich besser als
numerische Rechenprogramme ein Gefiihl fiir die Zusammenhange zwischen
Betriebsbedingungen, wie Druck, Temperatur und Ausbeute einerseits und
Betriebs-und Investitionskosten andererseits, vermitteln.
VIII Vorwort
In dieses Buch sind die langjahrigen Erfahrungen des Instituts fur Ver
fahrenstechnik der RWTH Aachen auf dem Gebiet der Membranprozesse ein
gefl.ossen - sowohl die Erfahrungen, die in Fortbildungskursen gesammelt
wurden, als auch die Ergebnisse zahlreicher Dissertationen und Forschungs
projekte.
Ich mochte daher an dieser Stelle allen Mitarbeitern der Aachener Mem
brangruppe danken. Stellvertretend fur aile seien hier genannt
Rainer Habbe Elektrodialyse
Rudiger Knauf Modellierung des Stofftransportes
Thomas Linn Umkehrosmose
Georg Schneider Nanofiltration
Alexander Struck Gaspermeation
Jens Vier Pervaporation
Klaus VoBenkaul Ultrafiltration
Insbesondere mochte ich mich bedanken bei Klaus VoBenkaul fur seine
Initiative und Phantasie bei der Erstellung der Bilder und Diagramme und
- nicht zuletzt - bei Ulrike Fischer-Schlichting fur ihre Geduld bei der Nie
derschrift und meinen Anderungswiinschen.
Juli 1996 Robert Rautenbach
lnhaltsverzeichnis
Symbole und Indizes . . . . . XIV
1 Membranprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Membranprozesse - Triebkrafte und Transportwiderstande 1
1.1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Grundbegriffe - Selektivitat, FluB, Triebkraft . . . . . . . . 1
1.1.3 Transportwiderstande an der Membran . . . . . . . . . . . 11
1.1.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Membranen - Strukturen, Werkstoffe und Herstellung . 13
1.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.2 Klassifizierung von Membranen . . . 14
1.2.3 Organische Membranen . . . . . . . . 15
1.2.3.1 Struktureigenschaften von Polymeren 16
1.2.3.2 Asymmetrische Membranen . 21
1.2.3.3 Phaseninversionsmembranen 23
1.2.3.4 Kompositmembranen . . . 27
1.2.4 Anorganische Membranen 30
1.3 Literatur ......... . 33
2 Modellierung des Stofftransportes in Membranen 34
2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2 Porenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3 Losungs-Diffusionsmodell . . . . . . . . . . . 40
2.3.1 Umkehrosmose verdiinnter Salzlosungen . . . 46
2.3.2 Permeation idealer Gase . . . . . . . 53
2.4 Berechnungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5 Zusammenfassung . . 57
2.6 Literatur ..... . 58
3 Modulkonstruktion . . . . . . . . 60
3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2 Module mit Schlauchmembranen 62
3.2.1 Rohrmodul . . . . .... 62
3.2.2 Kapillarmodul . . . . . . . . . . . 64
3.2.3 Hohlfasermodul . . . . . . . . . . 64
3.2.4 Ubersicht der Module mit Schlauchmembran 69
X Inhaltsverzeichnis
3.3 Module mit Flachmembranen . . . . . . . 70
3.3.1 Plattenmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.2 Wickelmodul . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.3 Kissenmodul . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.4 Dbersicht fiber Flachmembran-Module . 76
3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . 77
4 Transportwiderstiinde in Membranmodulen . . . . . . 78
4.1 Triebkraftmindernde Effekte . . . . . . . 78
4.1.1 Lokale Transportwiderstiinde . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.1.1.1 Feedseitige Konzentrationspolarisation . . . 78
4.1.1.2 Transportwiderstand der porosen Stiitzschicht 85
4.1.1.3 Vorgehensweise zur Berechnung der ortlichen
Membranleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2 EinfluB der Einbaurichtung asymmetrischer Membranen 92
4.3 MaBnahmen zur Verbesserung des Stoffiiberganges
an der Membran . . . . . . . . . . 95
4.4 Literatur 95
5 Modulauslegung und -optimierung . . . . . . . 97
5.1 Prinzipielle Vorgehensweise . . . . . . 97
5.2 Stromungsfiihrung im Modul . . . . . . . . . . . 98
5.3 Axiale Riickvermischung . . . . . . . . . . . . . 101
5.4 Moduloptimierung, Zielfunktionen . . . . . . . 102
5.5 Optimierung eines Hohlfasermoduls fiir die Umkehrosmose 103
5.6 Optimierung eines Wickelmodulelementes . 109
5.7 Literatur ............................. . 113
6 Anlagenentwurf, Modulanordnung und -schaltung . . . . 114
6.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.2 Parallel-und Reihenschaltung . . . . . . . . . . . 114
6.3 Modulanordnung innerhalb einer Stufe . . . . . . 115
6.4 Mehrstufige Anlagenverschaltung . . . . . . . . . 119
6.4.1 Gaspermeation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.4.1.1 Produktion sauerstoffangereicherter Luft . . . . . . . 122
6.4.1.2 C0 -Abtrennung aus Biogas . . . . . . . . . .... . 123
2
6.4.2 Umkehrosmose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . 125
6.5 Anlagenauslegung - Niiherungsweise Berechnung
(short cut methods) von Membranfliiche und Permeat
qualitiit einstufiger Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.5.1 ,!deale" Verfahrensstrecke: Integration der differentiellen
Bilanzen, Losungen unter vereinfachenden Annahmen 126
6.5.2 Abschiitzung mittels integraler Bilanzen . . . . . . . . 129
6.6 Literatur ......................... . 132
Inhaltsverzeichnis XI
7 Investitionskosten - Methoden zur Kostenschatzung . . . . . 133
7.1 Faktormethode nach H.J Lang . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.2 Ermittlung der Kosten fiir die Hauptaggregate . . . . . . . . . 134
7.3 Verbesserte Faktormethode nach Miller . . . . . . . . . . . . . 136
7.4 Kapazitatsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.5 Kapitalkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.6 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8 Umkehrosmose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.2 Membranbestandigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
8.2.1 Hydrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
8.2.2 Bestandigkeit gegen freies Chlor . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.2.3 Empfindlichkeit von Membranen gegeniiber Sauerstoff
und Ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 147
8.2.4 Bestandigkeit gegen Losungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . 148
8.3 Osmotischer Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.4 ViskositatseinfluB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
8.5 Membranverblockung infolge von Kristallisation (Scaling) 152
8.6 Membranverblockung infolge Verschmutzungen (Fouling) . . 155
8.7 Membranflachenbedarf, Leistungsbedarf und spezifischer
Energieverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
8.8 Beispiele fiir den Einsatz der Umkehrosmose . . . . . . . . . . 160
8.8.1 Beispiel: Riickgewinnungvon e-Caprolactan (e-Cap.) 160
8.8.2 Beispiel: Riickgewinnungvon Deponiesickerwasser . 163
8.9 Berechnungsbeispiel: Auslegung einer Meerwasser-
entsalzungsanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8.10 Zusammenfassung . . . . . . . . . . 172
8.11 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
9 Nanofiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
9.1 Abgrenzung zur Umkehrosmose und Ultrafiltration . . . . . . 176
9.2 Kommerzielle NF-Membranen, Einsatzgebiete . . . . 178
9.3 Berechnung des Trennverhaltens von NF-Membranen . . 181
9.4 Donnaneffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
9.5 Druck-und konzentrationsabhangiger Riickhalt . . . . . 185
9.5.1 Druckabhangigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
9.5.2 Konzentrationsabhangigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.6 Vergleich von Nanofiltration und Umkehrosmose am Beispiel
der Kombination Bioreaktor-Membranstufe . . . . . . . . . . 191
9.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . 195
9.8 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196