Membranverfahren: Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung PDF
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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 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Ver wertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechts gesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zuliissig. Sie ist grundsiitzlich vergiitungspfiichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997 Ursprüng1ich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1997 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1997 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wiiren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, vm, voE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewiihr fiir die Richtigkeit, Vollstiindigkeit oder Aktualitiit iibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fiir die eigenen Arbeiten die vollstiindigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Fotosatz-Service Kohler OHG, Wiirzburg Umschlaggestaltung: Struve & Partner, Heidelberg SPIN 10489858 213020 -5 4 3 2 1 0 -Gedruckt auf siiurefreiem Papier 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
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