Charakterisierung Dampfpermeation

Fakultät für

Verfahrens- und Chemietechnik

Charakterisierung

von Testgemischen

für die Dampfpermeation

Studienarbeit

Vorgelegt von

Dalias Towouo Wotchueng 813584 VB

Patric Nono N. 527787 V

Mannheim den 29. Oktober 2010

Betreuer

Prof. Dr.-Ing. Birgitta Landwehr

Institut für Thermische Verfahrenstechnik

Hochschule Mannheim

I

Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik

Charakterisierung von Testgemischen für die Dampfpermeation

Dalias Towouo W. / Patric Nono N.

76 Seiten mit 49 Abbildungen und 12 Tabellen.

Zusammenfassung

Das Testgemisch Isopropanol-Wasser wird seit Jahren für die Dampfpermeationsan-

lage in der verfahrenstechnischen Versuchshalle benutzt. In dieser Arbeit wurde Lite-

raturrecherche durchgeführt um andere geeignete Testgemische zu finden. Die Scree-

ning-Versuche mit den Gemischen Isopropanol-Wasser, n-Propanol-Wasser (NPA-

Wasser) und Ethanol-Wasser (ETOH-Wasser) haben ergeben, dass die Selektivität

und der Permeatfluss der verwendeten Polymermembrane von Druck, Zulaufzusam-

mensetzung und Zulaufgeschwindigkeit abhängen. Es ist dabei gelungen beim Azeot-

rop n-Propanol-Wasser einen Permeatfluss von ca. 3,5𝑘𝑔

𝑚2∙𝑕 , bei relativ guter Selekti-

vität zu bekommen. Dieser, im Vergleich zu dem Gemisch Isopropanol-Wasser (IPA-

Wasser) am Azeotroper Punkt, um mehr als 500 % höhere Permeatfluss ist wichtig,

um das Dampfpermeationspraktikum in einer verhältnismäßig kürzeren Zeit als es bis

jetzt der Fall war, durchführen zu können.

Abstract

The assay mixture isopropyl alcohol-water has been used for years in the vapor per-

meation plant in the process engineering laboratory. In this study, literature research

was carried out to find other suitable test mixtures. The screening tests on the mi x-

tures of isopropyl alcohol-water (IPA-water), n-propanol-water (NPA-water) and

ethanol-water (ETOH-water) have shown that the selectivity and the permeate flux of

the polymer membrane that is used depends on the pressure, feed composition and

feed rate. We succeeded, at the azeotrope of n-propanol-water, to get a permeate flux

of about 3.5 𝑘𝑔

𝑚2 ∙𝑕, at relatively good selectivity. This more than 500% higher per-

meate flux, compared to that of the mixture isopropyl alcohol-water (IPA-water) at

the azeotrope point, is important, in order to carry out the vapor permeation exper i-

ment in a relatively shorter time than it was the case until now.

II


Danksagung

Die vorliegende Studienarbeit wurde von 15.Juli bis zum 30.Oktober 2010 am Inst i-

tut für thermische Verfahrenstechnik der Hochschule Mannheim durchgeführt.

Hiermit möchten wir uns herzlich bei Frau Prof. Dr. Birgitta Landwehr für die an-

dauernde kompetente Unterstützung und die Betreuung während dieser Arbeit bedan-

ken.

Wir möchten uns ebenfalls bei der Fakultät für Verfahrenstechnik und Chemietechnik

für alle uns zur Verfügung gestellten Mittel zur Verwirklichung unserer Studienar-

beit bedanken.

Ein besonderer Dank geht an Herrn Dr. Zdzislaw Stankiewicz für die freundliche

Aufnahme, die Bereitschaft unsere Fragen zu beantworten und für die Zeit, die er

sich für uns genommen hat.

III


Erklärung

„Hiermit erklären wir, dass wir die vorliegende Arbeit selbstständig angefertigt und

alle Quellen und Hilfsmittel vollständig angegeben haben.“

Dalias Towouo W. Patric Nono N.

Inhaltverzeichnis IV


Inhaltverzeichnis

ABSTRACT ......................................................................................................................................................... I

DANKSAGUNG .................................................................................................................................................. II

ERKLÄRUNG .................................................................................................................................................... III

INHALTVERZEICHNIS ....................................................................................................................................... IV

1. EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG .................................................................................................. 1

2. GRUNDLAGEN ......................................................................................................................................... 2

2.1. Geschichte der Membrantechnik .................................................................................................... 2 2.2. Membrancharakteristiken ............................................................................................................... 2

2.2.1. Aufbau ................................................................................................................................................... 3 2.2.2. Kompositmembrane .............................................................................................................................. 4

2.3. Membranmodul............................................................................................................................... 5 2.4. Kennzahlen zur Charakterisierung der Leistung der Membrane ..................................................... 8 2.5. Modellierung des Stofftransports durch eine asymmetrische Membran ........................................ 9

2.5.1. Triebkräfte und Transportwiderstände ............................................................................................... 11 2.5.2. Modellierung des Stofftransports durch die dichte Schicht: Lösungsdiffusionsmodell (halbempirische Modell) 13 2.5.3. Modellierung der Stofftransport durch die poröse Schicht. ................................................................ 16

2.6. Anlagenbeispiele für Dampfpermeation (DP)................................................................................ 17 2.7. Analyseverfahren........................................................................................................................... 18

3. EXPERIMENTELLER TEIL ......................................................................................................................... 20

3.1. Einleitung ....................................................................................................................................... 20 3.2. Membrane, Modul und Testgemische. .......................................................................................... 20 3.3. Versuchsaufbau und Inbetriebnahme der Dampfpermeationsanlage. ......................................... 26

3.3.1. Einbau der Membran in das Plattenmodul .......................................................................................... 28 3.3.2. Inbetriebnahme der Anlage................................................................................................................. 31

3.4. Durchführung der Dichtemessung und Bestimmung der Zusammensetzung. .............................. 32 3.5. Stoffgemisch Isopropanol- Wasser. ............................................................................................... 34

3.5.1. Parameterfestlegung und Versuchsdurchführung. ............................................................................. 34 3.6. Stoffgemisch Ethanol-Wasser ....................................................................................................... 36

3.6.1. Parameterfestlegung und Versuchsdurchführung .............................................................................. 36 3.7. Stoffgemisch n-Propanol-Wasser. ................................................................................................. 37

3.7.1. Parameterfestlegung und Versuchsdurchführung. ............................................................................. 37 3.8. Darstellung, Interpretation der Ergebnisse und Vergleich mit Literaturangaben ......................... 39

3.8.1. Validierung der Messergebnisse. ........................................................................................................ 43 3.8.2. Graphische Darstellung für das Gemisch IPA-Wasser ......................................................................... 47 3.8.3. Graphische Darstellung für das Gemisch ETOH-Wasser ...................................................................... 50 3.8.4. Graphische Darstellung für das Gemisch NPA-Wasser ........................................................................ 51

3.9. Wichtige Anmerkungen aus der Versuchsdurchführung ............................................................... 56 3.10. Vorschlag für neue Praktikumsanordnung. ................................................................................... 60

4. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ................................................................................................... 61

FORMELZEICHEN ............................................................................................................................................ 63

ABBILDUNGSVERZEICHNIS ............................................................................................................................. 65

TABELLENVERZEICHNIS .................................................................................................................................. 67

LITERATURVERZEICHNIS ................................................................................................................................. 68

ANHANG: MASSENBILANZ ZUR VALIDIERUNG DER MESSWERTEN ................................................................. 70

1. Einleitung und Aufgabenstellung


1

1. Einleitung und Aufgabenstellung

Membranverfahren haben in der heutigen Zeit eine große Bedeutung erlangt. Sie

werden in unterschiedlichen Gebieten wie Medizintechnik, Wasseraufbereitung,

Chemietechnik, Umwelttechnik eingesetzt. In vielen Trennaufgaben stehen sie kon-

kurrenzlos gegenüber anderen Trennverfahren. Bei der Blutreinigung sind sie unab-

dingbar. Ihre Dienste werden bei der Konzentrierung von hochmolekularen Verbin-

dungen wie Eiweißen, in den Anlagen zur Luftzerlegung, bei der Meerwasserentsal-

zung sehr geschätzt [1, S. 1869]. Besonders poröse Membranen werden als Filter in

vielen Bereichen der Industrie und der Forschung eingesetzt. Aufgrund ihrer guten

Trennwirkung und der gezielt herstellbaren Porengrößen können diese Membrane (z.

B. Zeolithmembrane) zur Abtrennung von festen Partikeln, flüssigen Tropfen oder

Mikroorganismen aus Flüssigkeiten und Gasen genutzt werden. Sie stellen technisch

effiziente sowie preisgünstige Alternativen zu den bekannten Trennverfahren, wie z .

B. Adsorption, Destillation, Sedimentation und Zentrifugation dar [2, S. 1]. Im Be-

reich der Reaktionstechnik sind sie gut als Trägermaterialien für die Katalysatoren,

ihr Einsatz in der Mikroreaktionstechnik ist viel versprechend

Membrantrennprozesse wie die Dampfpermeation und die Pervaporation werden in-

dustriell vor allem zur Entwässerung von Alkohol eingesetzt [3, S. 1257]. Sie können

sowohl kontinuierlich bei geringem Energieeinsatz durchgeführt als auch in anderen

Prozessen integriert werden. Die Entwicklung und Erforschung von Membranen mit

hoher und stabiler Trennleistung ist, angesichts ihres breiten Einsatzsbereichs, von

großem wirtschaftlichem Interesse[2, S. 1].

In der Verfahrenshalle der Hochschule Mannheim befindet sich eine Dampfpermea-

tionsanlage, die zur Durchführung von Laborversuche für Studenten dient. Das vo r-

handene Membranmodul von der Firma „Sulzer Chemtech“ mit der eingebauten

Membran PERVAP 2200 wird seit mehreren Jahren zur Trennung von Isopropanol -

Wasser-Gemisch eingesetzt. Im Rahmen dieser Studienarbeit ist zu prüfen, ob das

Testgemisch durch ein anderes ersetzt werden kann. Des Weiteren sind, durch Lit e-

raturrecherche, Testsysteme (Testgemisch und geeignete Membrane) nach Kriterien

wie Lage des azeotropen Punktes, Siedeverhalten, Gefährlichkeit und Preis auszu-

wählen. Es wird dann durch Screening Versuche die Kennzahlen bestimmt, welche

die Leistung charakterisieren. Es soll am Ende einen Vorschlag für eine neue Prakt i-

kumsanordnung gemacht werden.

2. Grundlagen


2

2. Grundlagen

In diesem Kapitel werden die Grundlagen zu den Kompositmembranen und zu den

Membrantrennprozessen, insbesondere die Dampfpermeation beschrieben, die zum

Verständnis der vorliegenden Arbeit beitragen. Des Weiteren wird auf die Grundla-

gen der Dichtemessung als analytische Methode eingegangen.

2.1. Geschichte der Membrantechnik

In allen lebenden Zellen findet ein dauernder Stoff- und Energietransport durch

Membranen statt [4, S. 495]. Die ersten, die für einfache Trennprozesse eingesetzt

wurden, waren aus natürlichen Stoffen hergestellt, z. B. Tierhäute, Leinwand, Tuch,

Filz. Schon sehr früh wurde erkannt, dass Organe, wie Schweinsblasen oder Därme

nur eine bedingte Permeabilität für bestimmte Stoffe aufweisen, so dass Trennschri t-

te möglich wurden. Eine der ersten Publikationen zu dem Thema Membrantechnik

war die von R. Hooke (1635-1703), der im Jahre 1667 die Ergebnisse über die Poro-

sität von Kork veröffentlichte. 1748 schrieb Abbe Jean Antoine Nollet(1700 -1770)

erstmals ein Experiment, in dem die Membraneigenschaften tierischer Blasen unter-

sucht wurden. Dabei entdeckte er das Phänomen der Osmose. Erst im 19. Jahrhundert

wurden systematische Untersuchungen zu den Membrantrennverfahren durchgeführt.

Dazu gehören z.B. die Arbeiten von Fick, der 1855 seine klassischen Diffusionsexp e-

rimente durchführte. Pfeffer publizierte zwanzig Jahre später seine Untersuchungen

zum osmotischen Druck [5, S. 208]. Thomas Graham(1805-1869) berichtete 1861

zum ersten Mal über Dialyse-Experimente, bei denen er synthetische Membranen

verwendete. Er entwickelte 1866 das bis heute gültige Lösungs-Diffusions-

Modell(LDM)

[5, S. 208].

2.2. Membrancharakteristiken

Der Begriff Membran (vom lateinischen „Membrana“=Häutchen) wird in verschied e-

nen Gebieten unterschiedlich verwendet. Aus den Fachgebieten Biologie, physika li-

sche Chemie und Chemie ist er bekannt als flächige teildurchlässige Schicht, die für

mindestens eine Komponente einer Flüssigkeit oder eines Gases durchlässig ist, wäh-

rend sie andere Komponente zurückhält und dadurch den Stofftransport regelt

[2, S. 5]. Das ist auf die unterschiedliche Affinität der beteiligten Stoffe zu der

Membran, zum Teil aufgrund unterschiedlicher physikalischer und chemischer Ei-

genschaften der Stoffe, zurückzuführen.

Membranen können grundsätzlich in biologische und synthetische Membrane unter-

teilt werden (s. Abb. 1).

2. Grundlagen


3

Synthetische Membranen lassen sich nach folgenden Kriterien unterscheiden:

- Aggregatzustand ( fest/flüssig)

- Material (organisch/anorganisch)

- Struktur (symmetrisch/asymmetrisch)

- Zusammensetzung(homogen/heterogen)

- Polarität (neutral/geladen)

- Charakter (hydrophob/hydrophil)

- Zustand des Polymers (glasartig/gummiartig)

2.2.1. Aufbau

Eine Membran kann aus einem einheitlichen Stoff bestehen. In diesem Fall spricht

man von einer integralen Membran. Diese lässt sich in poröse und dichte Membran

unterteilen. Eine Pore ist eine dauernd örtlich und zeitlich unveränderliche Diskont i-

nuität im Membranmaterial. Ist über die gesamte Dicke einer Membran der Durch-

messer einer Pore unverändert, so spricht man von symmetrischer Struktur, ändert

sich die Größe, dann bezeichnet man dies als asymmetrische Struktur. Dichte Memb-

ranen haben nach dieser Definition keine Pore. Eine Membran kann auch aus 2 oder

Abb. 1: Klassifizierung von Membranen [6, S. 8]

2. Grundlagen


4

mehr Schichten bestehen, die sowohl dichte als auch poröse Strukturen haben. Sind

alle Schichten aus demselben Material so spricht man von integral-asymmetrischer

Membran oder Phaseninversionmembran. Sind dagegen die Schichten aus unter-

schiedlichen Materialien so nennt man dies eine Kompositmembran (s. Abb. 2).

Abb. 2: Aufbau verschiedener asymmetrischer organischer Membranen [7, S. 36]

In der Membrantechnik wird viel Wert auf Kompositmembranen gelegt, da man für

jede Schicht, gezielt das Material aufsuchen kann, das den erwünschten Charakteris-

tiken entspricht. Im Folgenden werden wir nur die Kompositmembrane beschreiben.

2.2.2. Kompositmembran

Zur Herstellung von Kompositmembranen (s. Abb. 3) lassen sich dünne Schichten

auf poröse Unterstrukturen aufbringen. Die Unterstruktur darf dabei nicht durch das

verwendete Lösemittel angegriffen werden, die Beschichtung sollte nur wenig in die

Poren der Unterstruktur eindringen. Bei der Wahl der Porengröße ist darauf zu ach-

ten, dass weder Kapillarkondensation noch nennenswerte Strömungswiderstände auf-

treten. Man lässt dann das Lösemittel unter solche Bedingungen verdampfen, dass

sich ein dichter Film ausbilden kann. Ein Beispiel hierfür sind die für die Pervapor a-

tion und Dampfpermeation zur Entfernung von Wasser aus seinen

2. Grundlagen


5

Mischungen mit organischen Komponenten verwendeten Polyvinylalko-

hol/Polyacrylnitril (PVA/PAN) Membranen. PVA bildet hierbei die dichte und PAN

die poröse Schicht [4, S. 509]. PAN ist ein kristallines Polymer, es zeichnet sich

durch eine sehr gute Beständigkeit gegenüber Lösemitteln aus [9, S. 14].

2.3. Membranmodul

Um eine Membran nutzen zu können, muss sie in einen Apparat, ein Modul, inkorpo-

riert werden. Ein Modul muss eine Reihe von Anforderungen erfüllen, die häufig

Kompromisse erfordern. Ein Modul soll

- Eine sichere Abdichtung zwischen Feed und Permeatraum gewährleisten;

- Ein Austreten von Feed und Permeat in die Umgebung verhindern;

- Einen sicheren Betrieb unter den Parametern des Verfahrens (Druck, Tempera-

tur, chemische Angriffe ) gewährleisten;

- Eine definierte Überströmung auf der Zulaufseite ermöglichen (keine Totwas-

serzonen);

- Einen möglichst geringen Druckverlust auf der Permeatseite bieten

- Eine möglichst große Membranfläche auf kleinem Volumen unterbringen.

- Zusätzliche Widerstände in Serie zu dem Widerstand der Membran vermeiden.

( z.B. Polarisationseffekte…)

- Kostengünstiger Membranwechsel

- Gute Reinigungsmöglichkeit

Es gibt eine Reihe von verschiedenen Bauformen von Modulen. Sieht man von kon-

struktiven Einzelheiten ab, lassen sich die Module auf zwei Bauklassen und sechs

Bauarten unterteilen (s. Abb. 4).

Abb. 3: Kompositmembran [9, S. 355]

2. Grundlagen


6

Abb. 4: Modulbauformen [7, S. 156]

Die wichtigsten davon sind:

- Spiralwickelmodul

Abb. 5: Prinzipieller Aufbau eines Wickelmoduls [7, S. 174]

2. Grundlagen


7

- Kapillarmodul

Abb. 6: Kapillarmodul [7, S. 163]

- Rohrmodul

Abb. 7: Isothermes PV-Modul (Pervap SMS) der Fa. Sulzer Chemtech GmbH für keramische Silica

Rohrmembranen [7, S. 150]

2. Grundlagen


8

- Plattenmodul

Abb. 8: Plattenmodul für Pervaporation (Sulzer Chemtech) [4, S. 517]

2.4. Kennzahlen zur Charakterisierung der Leistung der Membrane

Zur Charakterisierung der Leistung der Membrane findet man in der Literatur viele

Kennzahlen. Einige davon sind die Selektivität, der Permeatfluss, die Permeanz und

der Stufenschnitt der Membrane.

So werden sie für binäre Gemische ausgedrückt:

- Die Selektivität: 𝑆𝑖 ,𝑗 =𝑦𝑖 𝑦𝑗

𝑥𝑖 𝑥𝑗 (Gl. 1)

Mit 𝑥𝑖 und 𝑥𝑗 der Molanteile der Komponenten im Feed und

𝑦𝑖 und 𝑦𝑗 der Molanteile der Komponenten im Permeat.

- Der Permeatfluss: 𝑚 𝑡𝑜𝑡 ,𝑝 =𝑚 𝑖 ,𝑝 +𝑚 𝑗 ,𝑝

𝐴 (Gl. 2)

in 𝑘𝑔

𝑚2∙𝑕

Mit 𝑚 𝑖 ,𝑝 und 𝑚 𝑗 ,𝑝 den Permeatströmen von i und j und

A der Fläche der Membrane.

2. Grundlagen


9

- Die Permeanz: 𝑄𝑖 =𝑚 𝑖 ,𝑝

∆𝑝𝑖 (Gl. 3)

in 𝑘𝑔

𝑚2∙𝑕∙𝑏𝑎𝑟

Mit ∆𝑝𝑖 der Partialdruckdifferenz der Komponente i.

- Der Stufenschnitt: Θ =𝑉 𝑃

𝑉 𝐹 (Gl. 4)

Mit 𝑉 𝑃 dem Volumenstrom des gesamtes Permeat und

𝑉 𝐹 dem Volumenstrom des Feeds.

2.5. Modellierung des Stofftransports durch eine asymmetrische

Membran

Mathematische Modelle sind für die Auslegung und Optimierung von Prozessen e r-

forderlich und gleichzeitig wichtig für die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Es ist des-

halb wichtig mathematische Modelle zu bilden, die nah genug an der Realität, aber

auch vereinfacht genug sind, um sie mit den gängigen Rechnerleistungen in einer

angemessenen Zeit berechnen zu können.

Grundlage jeder Modellbildung sind die Erhaltungsgleichungen, Gleichgewichtglei-

chungen und kinetischen Ansätze.

Die Modellierung des Stofftransports durch die Membran ist allerdings sehr schwie-

rig, da es wegen zahlreichen Wechselwirkungen zwischen der beteiligten Komponen-

ten einerseits und andererseits zwischen den Komponenten und der Membranmatrix

zu ausgeprägten Nicht-Idealitäten und Kopplungseffekten kommt [7, S. 71].

Bei der Bildung dieser Modelle wird grundsätzlich zwischen 3 Arten unterschieden.

Diese werden in der folgenden Abb. 9 zusammengefasst.

2. Grundlagen


10

Abb. 9: Übersicht möglicher Ansätze zur Modellierung des Stofftransportes [7, S. 72]

- Bei der empirischen Modellierung wird das System als Blackbox angesehen.

Dies hat jedoch den Nachteil, dass es viele Messungspunkte erfordert um zu

einer sicheren Aussage zu gelangen. Dazu kommt, dass die Gleichungen ke i-

nerlei physikalische Bedeutungen haben.

- Bei den Strukturmodellen wird auch das System als Blackbox angesehen, die

Gleichungen basieren allerdings auf allgemein gültiger Theorie.

- Bei den halbempirischen Modellen geht es um eine Mischung von den vorhe-

rigen beiden Modellen. So sind wenige Messungen erforderlich, aber dafür ist

ein gutes physikalisches Verständnis des Trennprozesses nötig [7, S. 72].

2. Grundlagen


11

2.5.1. Triebkräfte und Transportwiderstände

Bei der Dampfpermeation ist, die Triebkraft für den Transport einer Komponente i

durch eine Membran gleich der Differenz des elektrochemischen Potentials i er-

mittelt an den feed- bzw. permeatseitigen Oberflächen, und zwar nach Wahl inner-

halb oder außerhalb der Membran. Das chemische Potential 𝜇𝑖 ist definiert als die

infinitesimale Änderung der molaren freien(Gibb‘schen) Enthalpie G bei einer infini-

tesimalen Änderung der Konzentration dieser Komponente für einen isobar -

isothermen Prozess:

(Gl. 5)

Wobei p der Druck und T die Temperatur ist.

Und entspricht damit der Arbeit 𝑊1/2, die ein System mindestens leisten muss, um

eine Konzentrationsänderung vom Zustand 1 nach dem Zustand 2 bei konstanten

Drücken und Temperaturen durchführen zu können.

Das chemische Potential der Komponente i einer flüssigen Mischung lässt sich zerl e-

gen in einen Stoffterm bei Standardbedingungen und Terme, die die Konzentrations-

und Druckabhängigkeit enthalten:

(Gl. 7)

Mit 0

i dem chemischen Potenzial der Komponente i bei Standardreferenzzustand,

0p dem Druck bei Standardreferenzzustand,

ia dem Aktivitätskoeffizient der Komponente i bei Standardreferenzzustand

V~

dem partiellen molaren Volumen der Komponente i in 𝑚3

𝑘𝑚𝑜𝑙

R der allgemeinen Gaskonstante.

ki xxTpi

ix

G

,,

2

1

2/1 ,, iii dxxpTW (Gl. 6)

).(~

),,(ln),(),,( 0000 ppVxpTaRTpTxpT iiiii

2. Grundlagen


12

Bei idealen Gasmischungen entfällt der Druckterm und der Konzentrationsterm, so

vereinfacht sich die Gleichung zu,

(Gl. 8)

Hieraus folgt: ∆𝜇𝑖 = 𝜇𝑖 ,𝐹 − 𝜇𝑖 ,𝑃 = 𝑅𝑇 ln𝑝𝑖 ,𝐹

𝑝𝑖 ,𝑃= 𝑅𝑇 ln

𝑦 𝑖,𝐹 ∙ 𝑝𝐹

𝑦 𝑖,𝑃 ∙ 𝑝𝑝 (Gl. 9)

Um einen optimalen Permeatfluss durch eine Membran zu erhalten, darf man nicht

allein die Widerstände, die innerhalb der Membrane auftreten, betrachten, sondern

man muss auch die dem Durchtritt durch die Membran vor- und nachgelagerten Wi-

derstände berücksichtigen. Da alle diese Widerstände hintereinander auftreten, be-

stimmt letztlich der größte Einzelwiderstand den Gesamtwiderstand für den Stoff-

transport durch die Membran.

Die wichtigeren Faktoren, die zusätzlich den Widerstand beeinflussen, sind:

- Druckverlust auf der Feed-Seite

- Druckverlust auf der Permeatseite

- Die Konzentrationspolarisation (Konzentrationserhöhung der zurückgehalt e-

nen Komponente vor der Membran)

- Ablagerung auf der Membran (Foulingseffekt)

- Widerstand in der porösen Stützschicht

- Temperaturpolarisation für den Fall der Pervaporation.

Es kommt sehr oft vor, dass die Verluste an Triebkraft wesentlich durch die vor- und

nachgeschalteten Widerstände verursacht werden. So ist eine Verbesserung der

Trennaufgabe viel mehr durch entsprechende Optimierungen der Module sowie Be-

triebsparameter zu erreichen. Dies bedeutet, dass die Entwicklung von Membranen,

Modulen und Verfahren von gleichrangiger Bedeutung sind [7, S. 11].

,ln)()(0

0

p

pRTTT i

ii

2. Grundlagen


13

2.5.2. Modellierung des Stofftransports durch die dichte Schicht : Lö-

sungsdiffusionsmodell (halbempirische Modell)

Bei den Lösungsdiffusionsmodellen (s. Abb.10) macht man folgende Annahme.

• Die Membran wird als Kontinuum aufgefasst,

• an den Phasengrenzen zwischen Membranoberfläche und angrenzenden Feed bzw.

Permeatphasen herrscht chemisches Gleichgewicht und

• die Kopplung zwischen den Partialflüssen der Permeanden wird vernachlässigt.

Abb. 10: Lösungsdiffusionsmodell für eine dichte Polymer Membrane [9, S. 287]

Bei einem rein diffusiven Stofftransport lautet die allgemeine Form der Transpor t-

gleichung nach dem LDM:

Fluss = Konzentration ⋅ Beweglichkeit ⋅ Triebkraft

𝑛 𝑖 = −𝑐𝑀,𝑖 ∙ 𝑏𝑀,𝑖 ∙ 𝜕𝜇𝑀𝑖 𝜕𝑧 (Gl. 10)

Mit 𝑛𝑖 dem Fluss der Komponente i in 𝑚𝑜𝑙

𝑚2∙𝑠

𝑐𝑀,𝑖 der Konzentration der Komponente i in der Membrane in 𝑚𝑜𝑙

𝑚3 ,

𝑏𝑀,𝑖 der Beweglichkeit der Komponente i in 𝑚2∙𝑚𝑜𝑙

𝐽 ∙𝑠 ,

𝜇𝑀𝑖 dem chemischen Potential der Komponente i in der Membran in 𝐽

𝑚𝑜𝑙 ,

und z der Koordinate quer zur Membrane in m.

2. Grundlagen


14

In Abwesenheit äußerer Kräfte (z.B. eines elektrisches Felds), stellt der Gradient des

chemischen Potenzials innerhalb der Membranphase −𝜕𝜇𝑀,𝑖 𝜕𝑧 die treibende Kraft

für den Stofftransport dar. Allerdings wird die Transportgeschwindigkeit der Ko m-

ponenten in der Polymerphase primär durch die Beweglichkeit und die Konzentrati-

on(Löslichkeit) in der Polymerphase beeinflusst, zumal dass die treibende Kraft der

zurückgehaltenen Komponente größer ist als die der permeierende Komponenten. Die

Nernst-Einstein-Gleichung liefert eine Beziehung zwischen der Beweglichkeit 𝑏𝑀,𝑖

und dem thermodynamischen Diffusionskoeffizienten 𝐷𝑀 ,𝑖0 .

𝐷𝑀,𝑖0 = 𝑅 ∙ 𝑇 ∙ 𝑏𝑀,𝑖 𝑚2

𝑠 (Gl. 11)

Diese Gleichung in (Gl.10) eingesetzt ergibt

𝑛 𝑖 = −𝑐𝑀,𝑖 ∙𝐷𝑀 ,𝑖0

𝑅∙𝑇∙ 𝜕𝜇𝑀𝑖 𝜕𝑧 (Gl. 12)

Durch Einsetzen von (Gl. 7) in (Gl. 12) erhält man die allgemeine Stofftransportbe-

ziehung für die Lösungsdiffusionsmembrane.

𝑛 𝑖 = −𝑐𝑀,𝑖 ∙ 𝐷𝑀,𝑖0 ∙ 𝜕

𝜕𝑧ln 𝑎𝑀,𝑖 +

𝑉 𝑖

𝑅∙𝑇∙𝜕𝑝

𝜕𝑧 (Gl. 13)

Für die Dampfpermeation entfällt der Druckterm, aufgrund mäßigen Druckunter-

schieds in der Membrane und man erhält:

𝑛 𝑖 = −𝑐𝑀,𝑖 ∙ 𝐷𝑀,𝑖0 ∙𝜕

𝜕𝑧ln 𝑎𝑀,𝑖 (Gl. 14)

Wobei: 𝑐𝑀,𝑖 die Konzentration der Komponente i in die Membran ist und

𝐷𝑀,𝑖0 der thermodynamische Diffusionskoeffizient ist.

2. Grundlagen


15

Die Konzentration der Komponente i in der Membran 𝑐𝑀,𝑖 muss noch nach geeigneten

Sorptionsansätzen geschätzt werden. Weit verbreitet sind die Ansätze nach Henry

und Flory-Huggins sowie der Dual-Sorption [9, S. 288].

Das Sorptionsverhalten der Membran bestimmt nicht nur das Konzentrationsniveau

der permeierenden Komponente sondern auch, durch Quellung oder Plastifizierung,

deren Beweglichkeiten in der Membran. Dieser zweite Effekt, die nicht nach Henry,

Flory-Huggins und Dual-Sorption berücksichtig wird, wird im Free-Volume-Modell

(Strukturmodell) mitberücksichtig. Man muss bei genauerem Modell einen konzent-

rationsabhängigen Diffusionskoeffizienten über die Dicke der Membran einführen.

Dies ist oft der Fall bei der Pervaporation und der Dampfpermeation , bei der man

eine meistens starke anisotrope Quellung der Membran beobachtet [7, S. 83].

An der Stelle des allgemeinen Transportansatzes kann man auch das erste Fickschen

Gesetz benutzen:

𝑛 𝑖 = −𝑐𝑀,𝐺𝑒𝑠 ∙ 𝐷𝑀 ,𝑖 ∙ 𝜕𝑥𝑀 ,𝑖 𝜕𝑧 (Gl. 15)

Mit 𝐷𝑀 ,𝑖 : Gegendiffusionskoeffizient für binäre Gemische in 𝑚2

𝑠 .

Der Vorteil des Fickschen Gesetzes ist die extrem einfache mathematische Form.

Aber bei nicht idealem System muss die Gegendiffusionskoeffizient und die Sorpti-

onskoeffizient durch sehr komplizierte konzentrationsabhängige Größen ersetzt wer-

den, was ein entscheidender Nachteil ist [7, S. 81].

In dem Lösungsdiffusionsmodell wird die Membrane als ein homogenes Medium be-

trachtet. Sollten andere Kräfte wie elektrostatische Kräfte eine wesentliche Rolle

spielen so sind sie durch entsprechende Modelle zu berücksichtigen.

2. Grundlagen


16

2.5.3. Modellierung der Stofftransport durch die poröse Schicht.

Abb. 11: Transport Mechanismen in poröse Materialen. [7, S. 97]

In der Literatur unterscheidet man zwischen 3 Strömungsbereichen (s. Abb. 11):

- Die Kontinuumsströmung oder Viskoseströmung (mit der freie oder molekula-

re Diffusion überlagert), in dem die mittlere freie Weglänge 𝜆 der Moleküle

wesentlich kleiner ist als die Abstände der Porenwände (𝑑0). Hier ist die

Knudsen Zahl 𝐾𝑛 viel kleiner als 1: mit

𝐾𝑛 = 𝜆𝑑0

(Gl. 16).

Es gilt das Gesetz von Hagen-Poiseuille.

- Die Knudsen-Strömung (hier verschwindet die freie Diffusion), in dem die

kleinste Porendimension zwar kleiner als die freie Weglänge aber immer noch

deutlich größer als der Moleküldurchmesser ist und schließlich

- Der Molsiebbereich, in dem die Poren nicht für alle

Moleküle durchlässig sind.

Aufgrund oft unterschiedlicher Größen der permeierenden Komponenten kön-

nen die Knudsen-Strömung, die Kontinuumsströmung(Viskoseströmung) sowie

die molekulare Diffusion gleichzeitig auftreten. Dies wird durch das Dusty-Gas-

Modell berücksichtigt [7, S. 102].

Da bei der Dampfpermeation, die aktive Schicht den größten Widerstand hat, wird

hier nicht auf Einzelheiten eingegangen.

2. Grundlagen


17

2.6. Anlagenbeispiele für Dampfpermeation (DP).

Es gibt zahlreiche Beispiele, bei denen Dampfpermeationsanlagen eingesetzt werden.

Ein Einsatz wäre zum Beispiel bei der Trennung von wässrigen Lösungen von Etha-

nol und Isopropanol (s. Abb. 12).

Abb. 12: Verschaltungen zum Brechen von Lösungsmittel/Wasser-Azeotropen mittels der

Dampfpermeation [9, S. 319]

In [10] wurde der Hybridprozess Reaktivrektifikation und Dampfpermeation unter-

sucht. Bei der Herstellung von n-Propylpropionat durch die heterogen katalysierte

Veresterung von Propionsäure mit n-Propanol wird das Wasser dem Reaktionsge-

misch entzogen in dem eine Entwässerungsmembran eingesetzt wird (s. Abb. 13).

Man beeinflusst so nach dem Prinzip von Le Chatelier das Gleichgewicht und zieht

es mehr auf die Seite der Produkte.

2. Grundlagen


18

Abb. 13: Reaktivrektifikationskolonne mit einem Membranmodul im Destil-

latstrom [10, S. 146]

2.7. Analyseverfahren

Zur Qualitätskontrolle der Produkte aus der Anlage (Permeat- und Retentatproben)

wird die Dichte der jeweiligen Testlösungen gemessen mit Hilfe eines Dicht emessge-

räts. Zur Messung wird eine Probe in das Messröhrchen des Gerätes eingespritzt.

Über die Sichtscheibe ist zu kontrollieren, dass das Messröhrchen keine Luftblasen

enthält.

Messprinzip

Die Dichte (oder spezifische Masse) eines Stoffes ist definiert als die Masse seiner

Volumeneinheit [g/ml]. Die Dichte ist temperatur- und druckabhängig. Während die

Messtemperatur bei jeder Dichtangabe auch angegeben werden muss, ist eine Druck-

angabe bei Flüssigkeiten nicht erforderlich, da diese praktisch nicht komp ressibel

sind. Die Messung der Dichte kann elektronisch mittels Biegeschwinger (s. Abb. 14)

durchgeführt werden. Der Arbeitsbereich liegt zwischen Dichte von 500 bis 1500 𝑘𝑔

𝑚3

.

2. Grundlagen


19

Abb. 14: Schema des Messprinzips des digitalen Dichtemessgerätes [15]

Die Schwingungszeit eines Röhrchens, die die Probe enthält, auf das ein elektromag-

netischer Impuls einwirkt, wird gemessen nachdem das Messröhrchen zum Schwin-

gen (durch das Gerät) gebracht wurde. Aus der Schwingungszeit wird die Dichte er-

rechnet. Die relative Dichte 𝑑 =𝜌𝑃𝑟𝑜𝑏𝑒

𝜌𝐾𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑒𝑟𝑓𝑙 ü𝑠𝑠𝑖𝑔𝑘𝑒𝑖𝑡 der Probe wird wie folgt berechnet

[11, S. 5]:

(Gl. 17)

T: hervorgerufene Schwingungszeit

M: Masse des leeren Röhrchens

C: Federkonstante

V: Volume der in Schwingung versetzten Probe

n: Gerätekonstante

Mit den gerätspezifischen Konstanten: Vn

CA

24 ;

V

MB

BATV

MT

Vn

Cd

22

24

3. Experimenteller Teil


20


3.1. Einleitung

In diesem experimentellen Teil wird die Dampfpermeationsanlage beschrieben. Um

ein ideales Testgemisch mit den uns zur Verfügung stehenden Entwässerungsmemb-

ranen zu finden, werden Literaturrecherche und Screening Versuche durchgeführt

und ausgewertet.

3.2. Membrane, Modul und Testgemische.

Im Lager der verfahrenstechnischen Anlage steht uns folgende Membrane zur Verfü-

gung:

PERVAP 2200: Mit dieser Polymermembran der Firma Sulzer darf der Wassergehalt

im Gemisch 15 Gew. % nicht überschreiten. Sie hat eine typische Trennleistung von

0,45 kg/m²h bei einem Zulauf von 90% ETOH und 10 % Wasser.

PERVAP 2201: Mit dieser Polymermembran der Firma Sulzer können Versuche bis

zu einen Wassergehalt von maximalen 90 Gew.-% gefahren werden. Dies ist vorteil-

haft angesichts des großen Permeatflusses, den wir erreichen wollen. Sie hat aber

eine typische Trennleistung von 0,35 kg/m²h bei einem Zulauf von 90% ETOH und

10 % Wasser. Nach [12] besteht die Membran aus einer aktiven Polyvinylalkohol-

schicht sowie einer Stützschicht aus Polyacrylnitril, um die mechanische Belastba r-

keit zu erhöhen.

Es ist uns nicht gestattet die Membrane bezüglich Zusammensetzung oder Aufbau zu

analysieren.

Das verwendete Modul (Abb. 15) ist ein Plattenmodul mit 0,0147 m² Membranflä-

che.

Abb. 15: Plattenmodul



21

Jetzt werden Stoffe, die mit Wasser einen homogenen Azeotrop in einem totalen oder

partiellen mischbaren System bilden, aufgelistet (Tabelle 1 und 2).

Bis einen Molenbruch 0,31 von Wasser halten wir der Wassergehalt für gering, und

über 0,9 Molenbruch für zu hoch.

Tabelle 1: Azeotrope Gemisch mit Wasser. (aus [16; S. 6-157—6-159] und verändert)

Komponente 1 Komponente 2 Mol.

Form. 2 TAZ /K y1,AZ

PAZ/

kPa Type Eigenschaften

Wasser Acetonitril C2H3N 349,95 0,31 101,33 OX zu wenig Wasser

Wasser Acrolein C3H4O 325,45 0,073 101,33 LX zu wenig Wasser

Wasser Allyl Alkohol C3H6O 361,15 0,5562 101,33 OX Giftig

Wasser Buttersäure C4H8O2 372,95 0,9559 101,33 OX zu viel Wasser

Wasser 2-Butanol C4H10O 360,5 0,62 101,33 LX Mit Wasser nur parti-

elle mischbar

Wasser 2-Butanone C4H8O 346,54 0,348 101,33 LX zu wenig Wasser

Wasser Butylamine C4H11N 349,85 0,07 101,33 OX zu wenig Wasser

Wasser 1-Chloro-2-

methylpropane C4H9Cl 333,95 0,197 101,33 LX zu wenig Wasser

Wasser Cyclohexylamin C6H13N 369,55 0,8692 101,33 OX Ätzend

Wasser Diacetonalkohol C6H12O2 370 0,99 90,79 OX) zu viel Wasser

Wasser Diethylenglycoldimethyle

ther C6H14O3 372,7 0,9679 101,33 OX Giftig

Wasser Dimethoxymethan C3H8O2 315,05 0,0269 101,38 LX zu wenig Wasser

Wasser 1,4-Dioxane C4H8O2 360,65 0,528 101,33 OX Gesundheitsschäd-

lich

Wasser 1,3-Dioxolane C3H6O2 344,95 0,252 101,3 OX Giftig

Wasser 1,2-Ethanediamine C2H8N2 391,85 0,445 101,33 ON Siedepunkt zu hoch

Wasser Ethanol C2H6O 351,25 0,103 101,33 OX

Wasser Formaldehyde CH2O 355,75 0,93 53,33 OX Giftig

Wasser Ameisensäure CH2O2 380,35 0,4272 101,33 ON Ätzend

Wasser Methacrylsäure C4H6O2 372,25 0,9464 98,93 OX Ätzend



22

Tabelle 2: Azeotrope Gemisch mit Wasser. (aus [16, S. 6-157—6-159] und verändert)

Komponente 1 Komponente 2 Mol.

Form. 2 TAZ /K y1,AZ PAZ/ kPa Type Eigenschaften

Wasser 2-Methoxyethanol C3H8O2 372,65 0,9441 99,99 OX Giftig

Wasser Methylacetat C3H6O2 330,05 0,106 103,62 LX zu wenig Wasser

Wasser 2-Methyl-3-buten-

2-ol C5H10O 359,25 0,577 101,33 LX Giftig

Wasser 2-Methyl-2-

propanol C4H10O 353 0,4011 101,33 OX

Leichtentzündlich

und Gesundheits-

schädlich

Wasser 4-Methylpyridine C6H7N 370,5 0,8972 101,33 OX Giftig

Wasser Propanal C3H6O 320,65 0,06 101,33 LX zu wenig Wasser

Wasser 1-Propanol C3H8O 360,8 0,568 101,33 OX

Wasser 2-Propanol C3H8O 353,7 0,326 101,33 OX Wird in der Anlage

benutzt

Wasser Pyridin C5H5N 367,3 0,75 101,33 OX

Leichtentzündlich

und Gesundheits-

schädlich

Wasser Tetrahydrofuran C4H8O 336,67 0,1828 101,33 OX zu wenig Wasser

O: Homogene Azeotrop in einem vollständig mischbaren System.

L: Homogene Azeotrop in einem partialen mischbaren System.

X: Maximum Druck (Unteranziehung)

N: Minimum Druck (Überanziehung)

Nach einem Auswahlverfahren nach den Kriterien Gefährlichkeit, Siedeverhalten,

Preis, und industrielle Bedeutung haben wir uns für die folgenden wässrigen Gemi-

sche entschieden:

Isopropanol- Wasser- Gemisch:

Isopropanol (IPA): ist eine wasserklare, ölige, leichtentzündliche Flüssigkeit. Die

molare Masse beträgt 60,09 g/mol. Mit Wasser bildet sie ein Azeotrop mit ca. 87,3

Gew.-% IPA. Sie wird bei der Herstellung von Aceton eingesetzt; Sie wird auch sehr

oft als Lösungs- und Extraktionsmittel benutzt, z. B. für Fett, Protein, Naturharze

[13, S. 507].



23

in Abb. 16 ist das VLE-Diagramm und in Abb. 17 das Siedediagramm des Gemisch

Isopropanol-Wasser dargestellt.

Abb. 16 Dampfflüssigkeitsgleichgewicht von Isopropanol-Wasser Gemisch bei 1,013 bar [17, S. 312]

Abb. 17 Siedediagramm von Isopropanol-Wasser Gemisch bei 1,013 bar [17, S. 312]

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Mo

len

bru

ch v

on

Iso

pro

pan

ol i

n

Dam

pfp

has

e

Molenbruch von Isopropanol in Flüssigphase

76

78

80

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

T(°C

)

Molenbruch von Isopropanol (P=101.30kPa)



24

n-Propanol- Wasser- Gemisch:

n-Propanol (NPA) ist eine wasserklare, leichtentzündliche Flüssigkeit. Die molare

Masse beträgt 60,09 g/mol. Mit Wasser bildet sie ein Azeotrop mit ca. 71,75 Gew.-%

NPA. Sie entsteht bei der alkoholischen Gärung als Nebenprodukt. Sie wird als Lö-

sungsmittel eingesetzt und präparativ sehr oft für die Herstellung von Propylestern

der verschiedensten Carbonsäuren (z.B. n-Propylpropionat) verwendet

[13, S. 506-507].

in Abb. 18 ist das VLE-Diagramm und in Abb. 19 das Siedediagramm des Gemisch

n-Propanol-Wasser dargestellt.

Abb. 18 Dampfflüssigkeitsgleichgewicht von n-Propanol-Wasser Gemisch bei 1,013 bar (Messwerten

aus [17, S. 289])

Abb. 19 Siedediagramm von n-Propanol-Wasser Gemisch bei 1,013 bar (Messwerten aus [17, S. 289])

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1Mo

len

bru

ch v

on

n-P

rop

ano

l in

Dam

pfp

has

e

Molenbruch von n-Propanol in Flüssigphase

86

88

90

92

94

96

98

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

T(°C)

Molenbruch von n-Propanol,(P=101.30kPa)



25

Ethanol- Wasser- Gemisch

Ethanol (ETOH) ist eine farblose, leichtentzündliche Flüssigkeit. Die molare Masse

beträgt 46,07 g/mol. Mit Wasser bildet sie ein Azeotrop mit ca. 95,7 Gew.-% ETOH.

Sie wird durch die alkoholische Gärung oder synthetisch hergestellt. ETOH hat prä-

parative und technisch große Bedeutung als Synthese-Ausgangsprodukt und als Lö-

sungs- und Extraktionsmittel. Wichtig ist es vor allem zur Herstellung von Estern

[13, S. 218-220].

In Abb. 20 ist das VLE-Diagramm und in Abb. 21 Das Siedediagramm des Gemisch

Ethanol-Wasser dargestellt.

Abb. 20 Dampfflüssigkeitsgleichgewicht von Ethanol-Wasser Gemisch bei 1,013 bar (Messwerten aus

[17, S. 153])

Abb. 21 Siedediagramm von Ethanol-Wasser Gemisch bei 1,013 bar (Messwerten aus [17, S. 153])

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Mo

len

bru

ch v

on

Eth

ano

l in

D

amp

fph

ase

Molenbruch von Ethanol in Flüssigphase

76

78

80

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

T(°C

)

Molenbruch von Ethanol (P=101.30kPa)



26

Tabelle 3: Stoffwerten [16, S. 6-96—6-108, 15-17, 15-20, 15-22 ]

Stoffe Formel Molmasse

[g/Mol]

Cp

[J/g.K)]

∆hv

[kJ/mol]

Siedetemperatur

[°C]

Dichte

[g/cm³]

Wasser H2O 18,02 4,18 40,657 100 1

Ethanol C2H6O 46,07 2,438 38,56 78,5 0,79

Isopropanol C3H8O 60,09 2,604 39,85 82 0.786

n-Propanol C3H8O 60,09 2,395 41,44 97 0,804

3.3. Versuchsaufbau und Inbetriebnahme der Dampfpermeationsan-

lage.

Ein Fließbild und ein Foto der Dampfpermeationsanlage befinden sich in Abb. 22

bzw. Abb. 23.

Das Wasser-Alkohol Gemisch wird in einem Doppelmantelbehälter B1 zum Sieden

gebracht. Der Dampf strömt durch einen isolierten Schlauch zum Membraneplatten-

modul M1. Dort wird der Zulauf in zwei Ströme Permeat und Retentat mit verschie-

denen Konzentrationen getrennt. Das Retentat strömt aus dem Plattenmodul teilweise

flüssig und wird in Kondensator W2 vollständig kondensiert. Es durchläuft dann den

Behälter B2, der zur Messung der Volumenströmung dient, und geht dann zurück

zum Behälter B1. Mit dem 3-Wegehahn V2 kann eine Retentat-Probe entnommen

werden. Über das Ventil V1 kann die Vorlageflüssigkeit entnommen werden. Die

Retentat-Leitung ist zur Atmosphäre hin geöffnet. Das gasförmige Permeat wird sei-

nerseits im Kondensator W1 kondensiert. Es gelangt dann zuerst im Behälter B3, der

durch Schließen des Ventils V4 zur Volumenmessung dient, und anschließend im

Behälter B4, wo es für die Probeanalyse gesammelt wird. Über das Ventil V5 kann

der Behälter B4 vom Unterdruckbereich getrennt werden um so die Probe im Dich-

temessgerät analysieren zu können. Das Ventil V3 und V6 bleiben während des Ver-

suchs geöffnet. Sie dienen in erster Linie zur Prüfung der Permeatleitung auf die

Dichtheit. Die Kondensatoren W1 und W2 werden im Gegenstrom geführt und die

Kühlflüssigkeit durchläuft zuerst den Kondensator W1 und dann den Kondensator

W2.



27

Kryostat

TIC

PIC

TITI

Heizthermo

stat

TIC

TI

PI

B1

B2

B3

W1

W2

B4

Zur Atmosphäre geöffnet

V1

V2

V3

V4

V5

V6

M1

Probenahme

Probenahme

Zur abgas

Behandlung

Abb. 22: Fließbild der Dampfpermeationsanlage

Abb. 23: Dampfpermeationsanlage

Plattenmodul Kondensator W2

Kondensator W1

Vorlagebehälter B1

Behälter B4



28

3.3.1. Einbau der Membran in das Plattenmodul

Plattenmodule sind von Filterpressen oder Plattenwärmetäuschern abgeleitet und b e-

stehen aus folgenden wesentlichen Komponenten:

Der Flachmembran

einer Platte zur Verteilung des Zulaufs über der Membran,

einer Platte zur Unterstützung der Membran und zur Ableitung des Permeats

einer Dichtung zur Abtrennung zwischen Feed und Permeatraum

einer Vorrichtung, den Plattenstapel zusammenzuhalten und gegen den inne-

ren Druck abzustützen.

Abb. 24 zeigt eine Fotographie des eingebauten Plattenmoduls.

Abb. 24: Eingebautes Plattenmodul

Permeatleitung

Plattenmodul

Kondensator W1



29

Für den Einbau der Membrane geht man folgendermaßen vor (s. auch Abb. 25):

Zuerst wird das Edelstahlgehäuse sorgfältig nach den Herstellerangaben aus-

einander geschraubt. Das Edelstahlgehäuse besteht aus 2 Teilen. Der erste Teil

für die Retentatseite und der zweiter Teil für die Permeatseite.

Man vergewissert sich zuerst, dass die Dichtung in Ordnung ist. Es können

sich mit der Zeit Ablagerungen an der Dichtung bilden. Sollte dies der Fall

sein, so ist dies mit geeigneten Lösemitteln zu reinigen. In unserem Fall b e-

nutzten wir Aceton. Es ist aber darauf zu achten, dass die Membran nicht in

Berührung mit Aceton kommt, sonst führt das zur Schädigung der Membran.

Dann wird ein Vliespapier auf der Permeatseite angelegt. Er dient als Stütz-

und Drainageschicht, welche einen wichtigen Einfluss sowohl auf die Leis-

tungsfähigkeit der Membranproduktion als auch auf die Qualität des Memb-

ranmoduls und dessen Einsatzgrenzen hat [9, S. 87].

Die Membran kommt jetzt mit der aktiven Schicht nach oben darauf. Die akti-

ve Schicht sollte auf der Seite des Retentats zeigen.

Die Dichtung wird dann daraufgelegt.

Jetzt kann mit einer Vakuumpumpe ein Unterdruck auf der Permeatseite ange-

legt werden, um alles abzudichten. Es wird, wenn nötig, mit der Hand nachge-

holfen, dass die Dichtung auf der richtigen Stelle bleibt.

Jetzt wird das Edelstahlgehäuse wieder zugeschraubt. Es wird hier aufgepasst,

dass die Dichtung richtig in die Nut eindringt.

Es muss nebenbei auch sichergestellt werden, dass die Einzelteile der Appara-

tur gegenüber den eingesetzten Chemikalien chemiebeständig sind.



30

Abb. 25: Einbau der Membrane in das Modul

Weißes Vliespapier

Durch diesen Schlauch wird mit einer Vakuumpumpe ein Unterdruck auf der Permeat-

seite angelegt.

Membran Dichtung

Retentatleitung Feedleitung

Edelstahlgehäuse

So sieht das Ergebnis nach erfolgreichem Anlegen des

Unterdrucks aus. Jetzt muss das Modul nur noch zuge-

schraubt werden.



31

3.3.2. Inbetriebnahme der Anlage

Es wird zuerst geprüft, ob alle Leitungen in Ordnung sind.

Jetzt wird geprüft, ob sich noch Flüssigkeit im Vorlage Behälter B1 befindet.

Wenn ja, dann muss entleert werden.

Die Konzentration des Zulaufgemischs wird jetzt nach dem folgenden Schema

eingestellt.

Komponente und Gesamtmassenbilanz ergibt:

𝑥′′𝑚 ,1 ∙ 𝜌 ∙ 𝑉 + 𝜌′ ∙ 𝑉 ′ = 𝑥𝑚 ,1 ∙ 𝜌 ∙ 𝑉 + 𝑥′𝑚 ,1 ∙ 𝜌′ ∙ 𝑉′ (Gl. 18)

Daraus folgt:

𝑉′ =𝜌∙𝑉∙ 𝑥𝑚 ,1−𝑥′′ 𝑚 ,1

𝜌′∙ 𝑥′′ 𝑚 ,1−𝑥′𝑚 ,1 (Gl. 19)

Mit 𝑚 = 𝜌 ∙ 𝑉 , 𝑚′ = 𝜌′ ∙ 𝑉′ und 𝑚′′ = 𝜌′′ ∙ 𝑉′′

Jetzt wird geprüft, ob V1 zu ist, und dann wird das Gemisch in den Behälter

B1 eingefüllt.

Das Heizthermostat und Kühlthermostat wird angeschaltet und die Solltempe-

raturen eingestellt.

Die Vakuumpumpe wird angeschaltet und der Druck eingestell t.

Sobald die Parameter Druck und Temperatur ihre Sollwerte erreicht haben,

lassen wir die Apparaturen eine Weile durchlaufen, bevor man mit den Mes-

sungen anfangen kann.

𝑥𝑚,1 ,𝑚

𝑥′𝑚,1 ,𝑚′

Mischen 𝑥′′𝑚,1 ,𝑚′′

Abb. 26: Mischung zusammenstellen



32

3.4. Durchführung der Dichtemessung und Bestimmung der Zusam-

mensetzung.

Das Gerät (Abb. 29) muss vor der ersten Anwendung kalibriert werden. Als Refe-

renzfluid wird destilliertes Wasser verwendet.

Das Messröhrchen wird mit der Untersuchungsflüssigkeit mehrmals sorgfältig ausg e-

spült. Nach dem luftblasenfreien Füllen mit der Untersuchungslösung wird die Mes-

sung gestartet. Das Gerät zeigt im Display nach ein paar Sekunden die Dichte an.

Nach jeder Messung wird die Probeflüssigkeit mit der Spritze wieder herausgezogen.

Danach muss mit Luft gespült werden. Das digitale Dichtemessgerät wird indirekt

zur Bestimmung der Konzentration eingesetzt. Das angeschlossene Thermostat kann

sowohl kühlen als auch heizen, um auch bei wärmerer oder kühlerer Umgebungstem-

peratur die Temperatur von 20°C einzuhalten.

Ausgehend von der gemessenen Dichte des binären Gemisches (𝜌𝑔), und der Dichten

der reinen Komponenten (𝜌1 und 𝜌2) kann man bei idealen Flüssigkeiten (also ohne

Volumenkontraktion oder Volumendilatation) die Zusammensetzung des Gemischs

prinzipiell ohne weiteres ausrechnen.

Es gilt dann 𝑥𝑚 ,2 =𝜌2

𝜌𝑔∙𝜌𝑔−𝜌1

𝜌2−𝜌1 (Gl. 20) und 𝑥𝑚 ,1 =

𝜌1

𝜌𝑔∙𝜌𝑔−𝜌2

𝜌1−𝜌2 (Gl. 21)

Mit 𝑥𝑚 ,1 und 𝑥𝑚 ,2 die Massenbruch der Komponenten 1 und 2.

Leider liegt oft kein ideales Gemisch vor, so dass man mit Hilfe von Aktivitäten der

Komponenten und anderen Formeln rechnen muss.

Abhilfe schafft man sich, wenn man aus Zwischenwerten der Literatur, die Zusam-

mensetzung (linear) interpoliert. Um diese Methode zu benutzen, ist es erforderlich,

die zu validieren, in dem man die Dichte von Gemische mit verschiedener bekannter

Zusammensetzung misst und das Ergebnis mit den Literaturwerten vergl eicht. Liegt

keine nennenswerten Abweichungen vor, so können wir das Analyseverfahren vali-

dieren.

Das haben wir für die Gemische ETOH-Wasser und NPA-Wasser gemacht und konn-

ten so das Analyseverfahren validieren (Siehe Abb. 27 und 28). Bei dem Gemisch

IPA-Wasser, wurde das Analyseverfahren schon von vorheriger Benutzer der Anlage

verifiziert.



33

Abb. 27 Validierung von der Analyseverfahren bei ETOH-Wasser Gemisch. (Literaturwerten

aus [16, S. 8-56—8-57])

Abb. 28 Validierung von der Analyseverfahren bei NPA-Wasser Gemisch. ( Literaturwerten

aus [16, S. 8-68—8-69])

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95100

Dic

hte

in g

/cm

³

Ethanol-Konzentration in Gew. %

Validierung von der Analyseverfahren bei ETOH-Wasser Gemisch

Literaturwerten

Versuchswerten

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95100

Dic

hte

in g

/cm

³

n-Propanol Konzentration in Gew. %

Validierung von der Analyseverfahren bei NPA-Wasser Gemisch

Literaturwerten

Versuchswerten



34

Abb. 29: Dichtemessgerät

3.5. Stoffgemisch Isopropanol- Wasser.

Für diesen Versuch benutzen wir die Membran PERVAP 2200.

3.5.1. Parameterfestlegung und Versuchsdurchführung.

Die folgenden Parameter werden wir in diesem Versuch variieren:

Die Zulaufzusammensetzung: 88 Gew.-% IPA , 86 Gew.-% IPA. Dies wird

nach Abb. 26 eingestellt unter Berücksichtigung des Dampf-Flüssigkeit-

Gleichgewichtes(VLE) in Abb. 16.

Die Zulaufgeschwindigkeit: Dies wird indirekt durch die Temperatur des

Heizaggregats (Glykol) gesteuert; 100 °C und 120 °C.

Der Permeatdruck durch Ventilsteuerung auf: 0,01 bar, 0,05 bar, 0,15 bar und

0,3 bar.

Folgende Messwerte werden aufgenommen:

Dichte und Volumenstrom des Retentats: Der Volumenstrom wird gemessen in

dem man die Zeit misst, die nötig ist um 10 ml Retentat zu bekommen. Dieses

Volumen wird im Behälter B2 gemessen. Die Dichte der 10 ml Probe wird an-

schließend im Dichtemessgerät analysiert.

Dichte und Volumenstrom des Permeats: Gleiches Vorgehen wie bei dem Re-

tentat. Jedoch wird aufgrund der kleineren Ströme ein Volumen von 5 ml auf-

genommen.

Temperaturen der Flüssigkeit im Vorlagebehälter B1 und des Retentats nach

dem Plattenmodul: Mit dem installierten Thermometer werden die Temperatu-

ren abgelesen

Druck im Vorlagebehälter B1: Durch einen U-Rohrmanometer wird der Über-

druck im Behälter B1 abgelesen und zum Umgebungsdruck addiert.

In der Tabelle 4 werden die Messwerte ausgeführt.



35

Tabelle 4: Messwerte für das Gemisch IPA-Wasser (PERVAP 2200)

Reihe XB1,IPA XF,IPA THeiz TB1 TR pFeed pPerm.

Dichte

Retentat

Dichte

Permeat

Gew.% Gew.% °C °C °C [bar] [bar] [l/h] [l/h] [kg/l] [kg/l]

1 88,28 88,28 119,07 82,6 80,3 1,034

0,01 1,6043 0,00952 0,8124 0,9955

0,01 1,5504 0,00855 0,8122 0,9963

0,01 1,6000 0,00843 0,8121 0,9964

0,01 1,5957 0,00784 0,8122 0,9963

0,01 1,6000 0,00787 0,8113 0,9963

0,01 1,5385 0,00690 0,8114 0,9964

2 89,083 88,5 99,7 82,2 80,2 1,027 0,01 0,4772 0,00579 0,8084 0,9954

0,01 0,5388 0,00591 0,8082 0,9960

3 88,24 88,24 119,7 83 80,3 1,03

0,01 1,4168 0,00817 0,8123 0,9954

0,05 1,5693 0,00592 0,8118 0,9957

0,05 1,6224 0,00704 0,8113 0,9955

0,05 1,5762 0,00774 0,8112 0,9954

0,05 1,5551 0,00681 0,8107 0,9954

4 88,2 88,2 119,7 82,5 80 1,037

0,15 1,6202 0,00693 0,8127 0,9941

0,15 1,5326 0,00554 0,8129 0,9941

0,15 1,6491 0,00593 0,8128 0,9938

0,15 1,6552 0,00530 0,8134 0,9938

5 84,958 86 120 82,3 80,3 1,035

0,01 1,4423 0,01301 0,8159 0,9955

0,01 1,5082 0,01202 0,8162 0,9961

0,01 1,4581 0,01232 0,8172 0,9962

0,01 1,5101 0,01241 0,8151 0,9965

0,01 1,4944 0,01279 0,8163 0,9965

0,05 1,5408 0,01438 0,8159 0,9963

0,05 1,5280 0,01158 0,8161 0,9963

0,05 1,4864 0,01034 0,8161 0,9964

0,05 1,3981 0,01685 0,8156 0,9963

0,05 1,4941 0,01155 0,8155 0,9962

0,05 1,4888 0,01142 0,8155 0,9961

6 84,958 86 119,7 83 80,3 1,034

0,15 1,3814 0,00958 0,8167 0,9950

0,15 1,4235 0,01079 0,8171 0,9949

0,15 1,4646 0,01024 0,8166 0,9952

7 85,083 86,1 100 83 80,3 1,027 0,01 0,4800 0,00880 0,8112 0,9963

0,01 0,5000 0,01007 0,8103 0,9965

8 85,042 86,1 120 83 80,3 1,035

0,05 1,6341 0,01181 0,8169 0,9957

0,05 1,6143 0,01143 0,8171 0,9961

0,05 1,5979 0,01253 0,8167 0,9962

0,05 1,5254 0,01268 0,8169 0,9963

0,05 1,5000 0,01278 0,8168 0,9963

tentatVRe

PermeatV



36

3.6. Stoffgemisch Ethanol-Wasser

Hier wird weiterhin die Membran PERVAP 2200 benutzt.

3.6.1. Parameterfestlegung und Versuchsdurchführung

Folgende Parameter werden wir variieren:

Die Zulaufzusammensetzung: 95,6 Gew.-% ETOH , 91,6 Gew.-% ETOH. Dies

wird mit Hilfe von Abb. 26 eingestellt unter Berücksichtigung des VLE-

Diagramms in Abb. 20.



Der Permeatdruck durch Ventilsteuerung auf: 0,01 bar und 0,05 bar


Dichte und Volumenstrom des Retentats: Gleiche Vorgehensweise wie beim

Gemisch IPA-Wasser


tentat. Jedoch wird aufgrund der kleineren Ströme ein Volumen von 5 ml auf-

genommen. Der Fehler wird auf 2 % geschätzt.


dem Plattenmodul: Mit dem installierten Thermometer werden die Temperatu-

ren abgelesen

Druck im Vorlagebehälter B1: Genauso wie beim Gemisch IPA-Wasser.

In der folgenden Tabelle 5 werden die Messwerte ausgeführt.

Tabelle 5: Messwerte für das Gemisch ETOH-Wasser (PERVAP 2200)

Reihe XB1,ETOH XF,ETOH THeiz. TB1 TF pFeed pperm.

Dichte

Retentat

Dichte

Permeat


1 95,63 95,63 105 80 77,8 1,029 0,01 0,934 0,0010 0,7954 0,9922

2

89,92 91,50 105 80 77,5 1,028 0,01 0,804 0,0052 0,8054 0,9934

89,92 91,50 105 80 77,5 1,028 0,01 0,853 0,0054 0,8068 0,9951

89,92 91,50 105 80 77,5 1,028 0,01 0,796 0,0056 0,8063 0,9951

3 90,04 91,70 105 80 78 1,046 0,01 0,790 0,0043 0,8088 0,9928

4 89,98 91,60 105 80 78 1,028 0,05 0,705 0,0041 0,8089 0,9932

5 89,98 91,60 115 80 78 1,032 0,05 1,196 0,0054 0,8114 0,9927

89,98 91,60 115 80 78 1,032 0,05 1,176 0,0051 0,8115 0,9929

tentatVRe

PermeatV



37

3.7. Stoffgemisch n-Propanol-Wasser.

Hier wird die Membran PERVAP 2200 durch die Membran PERVAP 2201 ersetzt.

3.7.1. Parameterfestlegung und Versuchsdurchführung.

In diesem Versuch werden wir die folgenden Parameter variieren:

Die Zulaufzusammensetzung: 74,7 Gew.-% NPA , 71,7 Gew.-% NPA. Dies

wird mit Hilfe der Abb. 26 eingestellt unter Berücksichtigung des Dampf-

Flüssigkeit-Gleichgewichtes in Abb. 18.



Der Permeatdruck durch Ventilsteuerung auf: 10 mbar, 50 mbar, 100 mbar,

150 mbar, 200 mbar, 300 mbar und 350 mbar.


Dichte und Volumenstrom des Retentats: Der Volumenstrom wird gemessen in

dem man die Zeit misst, die nötig ist um 10 ml Retentat zu bekommen. Dieses

Volumen wird im Behälter B2 gemessen. Die Dichte der 10 ml Probe wird an-

schließend im Dichtemessgerät analysiert.


tentat. Allerdings wird die 10 ml Permeat im Behälter B3 gemessen.


dem Plattenmodul: Gleiche Vorgehensweise wie bei IPA-Wasser-Gemisch.

Druck im Vorlagebehälter B1: Genauso wie bei dem Gemisch IPA-Wasser.

In der Tabelle 6 werden die Messwerte ausgeführt.



38

Tabelle 6: Messwerte für das Gemisch NPA-Wasser (PERVAP 2201)

Reihe XB1,nPA XF,nPA THeiz TB1 TF pFeed p Perm.

Dichte

Retentat

Dichte

Permeat


1 79,82 74,71 120

90 88,5 1,03 0,05 0,8740 0,0364 0,8498 0,9967

90 88,5 1,03 0,05 0,8700 0,0377 0,8493 0,9967

90 88,5 1,03 0,05 0,8746 0,0366 0,8483 0,9968

90 88,5 1,03 0,05 0,8590 0,0372 0,8489 0,9968

90 88,5 1,03 0,05 0,8937 0,0367 0,8488 0,9969

2 79,82 74,71 110 90 88 1,026 0,05 0,4752 0,0317 0,8444 0,9969

90 88 1,026 0,05 0,4500 0,0332 0,8443 0,9968

3 80,09 74,83 120

90 88,5 1,029 0,01 0,7767 0,0402 0,8471 0,9964

90 88,5 1,029 0,01 0,8324 0,0406 0,8473 0,9967

90 88,5 1,029 0,01 0,8112 0,0404 0,8488 0,9965

90 88,5 1,029 0,15 0,8023 0,0365 0,8494 0,9959

90 88,5 1,029 0,15 0,8050 0,0363 0,8498 0,9959

90 88,5 1,029 0,15 0,8158 0,0359 0,8485 0,9960

4 71,56 71,7 120

89 87,5 1,031 0,01 0,9000 0,0502 0,8537 0,9964

89 87,5 1,031 0,01 0,8748 0,0517 0,8539 0,9964

89 87,5 1,031 0,01 0,8727 0,0509 0,8534 0,9964

89 87,5 1,031 0,05 0,8931 0,0514 0,8542 0,9962

89 87,5 1,031 0,05 0,8902 0,0519 0,8537 0,9962

89 87,5 1,031 0,05 0,8656 0,0509 0,8550 0,9962

89 87,5 1,031 0,1 0,8299 0,0454 0,8543 0,9959

89 87,5 1,031 0,1 0,8324 0,0539 0,8539 0,9959

89 87,5 1,031 0,1 0,8629 0,0479 0,8538 0,9959

89 87,5 1,031 0,15 0,8318 0,0450 0,8541 0,9955

89 87,5 1,031 0,15 0,8103 0,0479 0,8541 0,9956

89 87,5 1,031 0,15 0,8617 0,0475 0,8544 0,9956

89 87,5 1,031 0,2 0,8378 0,0446 0,8544 0,9944

89 87,5 1,031 0,2 0,8304 0,0453 0,8544 0,9943

89 87,5 1,031 0,2 0,8251 0,0436 0,8540 0,9943

89 87,5 1,031 0,3 0,8215 0,0382 0,8555 0,9933

5 71,93 71,81 120

90 88 1,031 0,3 0,6994 0,0386 0,8554 0,9919

90 88 1,031 0,3 0,7814 0,0410 0,8550 0,9917

90 88 1,031 0,3 0,8072 0,0391 0,8545 0,9917

90 88 1,031 0,35 0,7951 0,0345 0,8558 0,9908

90 88 1,031 0,35 0,8125 0,0408 0,8555 0,9908

90 88 1,031 0,35 0,8018 0,0411 0,8553 0,9893

6 71,66 71,72 120

90 87,5 1,03 0,02 0,7704 0,0522 0,8515 0,9945

90 87,5 1,03 0,1 0,7351 0,0489 0,8521 0,9942

90 87,5 1,03 0,2 0,7499 0,0454 0,8531 0,9933

7 71,66 71,72 110 90 88 1,027 0,1 0,4621 0,0461 0,8462 0,9940

90 88 1,027 0,2 0,4211 0,0392 0,8477 0,9931

tentatVRe

PermeatV



39

3.8. Darstellung, Interpretation der Ergebnisse und Vergleich mit Li-

teraturangaben

Für die Auswertung werden folgende Größen berechnet:

Feedstromdichte in 𝑘𝑔 (𝑚2𝑕) in Bezug auf die Fläche der Membran.

Permeatfluss in 𝑘𝑔/ 𝑚2𝑕

Retentat- und Permeat-Zusammensetzung in 𝐺𝑒𝑤. %

Die Permeanz der beiden Komponente in 𝑘𝑔/ 𝑚2 ∙ 𝑕 ∙ 𝑏𝑎𝑟

Die Selektivität mit Molenbrüche gerechnet

Diese Werte sind in den Tabellen 7, 8 und 9 eingetragen. Hier folgt nun Beispiele

für die Berechnung diese Werten und für die Interpolation nach der Dichteanalyse.

Beispielrechnung zur Interpolation der Vorlagezusammensetzung in B1

Die gemessene Dichte entnimmt man mit Hilfe einer Wertetabelle der dazugehörigen

Zusammensetzung 𝑥𝑖 in Gew%. Um exakte Werte für 𝑥𝑖 zu erhalten, muss interpoliert

werden.

Das Dichtmessgerät ermittelte eine Probedichte von 0,86443cm

g. Ein Blick in die

Tabelle verrät, dass dieser Wert keinem 𝑥𝑖 -Wert zugeordnet werden kann. Hier muss

interpoliert werden. Er liegt zwischen folgenden Werten:

x n-PA [Gew.%] Dichte [g/cm³]

60

80

0,8875

0,8470

Bei der linearen Interpolation wird die Geradegleichung

𝑦 = 𝑚 ∙ 𝑥 + 𝑏 Gl. 22

mit m als Steigung verwendet. Wir setzen erstmals die Werte in Gl.22 ein:

𝑦1 = 𝑚 ∙ 𝑥1 + 𝑏 → 60 = 𝑚 ∙ 0,8875 + 𝑏 Gl. 23

𝑦2 = 𝑚 ∙ 𝑥2 + 𝑏 → 80 = 𝑚 ∙ 0,8470 + 𝑏 Gl. 24



40

Abb. 23 nach b auflösen und in Abb. 24 einsetzen: → 𝑚 = −493,827 𝑙

𝑔∙ %

Daraus folgt:

𝑏 = 80% − 0,8470𝑔

𝑙∙ 𝑚 = 80% − 0,8470

𝑔

𝑙∙ −493,827

𝑙

𝑔∙ % = 498,271%

Setzt man die gemessene Dichte 𝑥 = 0,8644𝑔

𝑙 ein, ergibt sich für y, also für die Zu-

sammensetzung:

𝑦 = −493,827𝑙

𝑔% ∙ 0,8644

𝑔

𝑙+ 498,271% = 71,40 %

Beispielrechnung für den Volumenstrom ( z.B.: vom Permeat bei 20mbar )

V =V

t=

10 ml

689 s= 0,05225

l

h

Beispielrechnung für den Permeatfluss 𝒎 𝒕𝒐𝒕,𝒑 z.B.: bei 20mbar

𝜌𝑝 = 0,9945𝑘𝑔

𝑙 und 𝑉 = 0,05225

𝑙

𝑕

Membranfläche: 𝐴 = 0,0147𝑚2

Permeatfluss = m tot ,p =ρ∙Vp

A=

0,9945kg

l .0,05225

l

h

0,0147 m2 = 3,53kg

m2∙h

Beispielrechnung für den Feedstrom ( F ) bzw. Feedstromdichte z.B.: bei

20mbar

𝜌𝑅𝑒𝑡𝑒𝑛𝑡𝑎𝑡 = 0,8515𝑔

𝑚3 𝜌𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑡 = 0,9945𝑔

𝑚3 (Aus Messdaten)

und 𝑉 𝑅𝑒𝑡𝑒𝑛𝑡𝑎𝑡 = 0,77038𝑙

𝑕 𝑉 𝑃𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑡 = 0,0522

𝑙

𝑕 (Aus Messdaten)

𝑅 = 𝜌𝑅 ∙ 𝑉𝑅 und 𝑃 = 𝜌𝑃 ∙ 𝑉𝑃

→ R = 0,8515 l

kg

x 0,77038 h

l

= 0,6559 h

kg

( Retentatmassenstrom)

→ 𝑃 = 0,9945𝑘𝑔

𝑙× 0,05225

𝑙

𝑕= 0,05196

𝑘𝑔

𝑕 (Permeatmassenstrom)



41

Gesamt Massenbilanz:

𝐹 = 𝑅 + 𝑃 = 0,7079𝑘𝑔

𝑕

𝐹𝑒𝑒𝑑𝑠𝑡𝑟𝑜𝑚𝑑𝑖𝑐𝑕𝑡𝑒 =𝐹

𝐴=

0,7079𝑘𝑔𝑕

0,0147𝑚2= 48,16

𝑘𝑔

𝑚2𝑕

Beispielrechnung für die Feedzusammensetzung 𝑥𝐹 z.B.: bei 20mbar

Komponente Bilanz:

FxF = RxR + PxP

Fx

F

xPxR PR

Fx PR

xPxR PR

PPRR

PPPRRR

VV

xVxV

l

kg

h

l

l

kg

h

l

l

kg

7079,0

06,205225,09945,078,7777038,08515,0

= 72,22[Gew-%]

Beispielrechnung für die Selektivität

Si,j =xF,i ∙ yp,j

xF,j ∙ yp,i



42

z.B.: bei 20mbar

Massenanteil Molanteil Druck

n-PA[%] n-PA[%] [bar]

Permeat 2,06 0,6247 0,02

Feed 71,72 43,099 1,03

Si,j =43,099% × 100 − 0,6247%

0,6247% × 100 − 43,099% = 120,49

Beispielrechnung für die Permeanz von Wasser und n-Propanol bei 20 mbar

QnPA =

m tot ,p

M nPA × xm,nPA ,p

xnPA ,F × pFeed − pPermeat × xnPA ,P

QWasser =

m tot ,p

M Wasser × (1 − xm,nPA ,p)

1 − xnPA ,F × pFeed − pPermeat × 1 − xnPA ,P

Mit 𝑚 𝑡𝑜𝑡 ,𝑝 : Permeatfluss

xm,nPA ,p: Massenbruch n-Propanol im Permeat

xnPA ,F ,xnPA ,P: Molenbruch n-Propanol auf der Feedseite bzw. Permeatseite

M n−PA : Molmasse von n-Propanol

pFeed , pPermeat : Druck auf der Feedseite bzw. Permeatseite

𝑄𝑛𝑃𝐴 =

3,535 𝑘𝑔/(𝑚2 ∙ 𝑕)0,06009 𝑘𝑔/𝑚𝑜𝑙

× 0,0206

0,43099 × 1,03 𝑏𝑎𝑟 − 0,02 𝑏𝑎𝑟 × 0,006247 = 2,73 𝑚𝑜𝑙/(𝑚2 ∙ 𝑕 ∙ 𝑏𝑎𝑟)



43

𝑄𝑊𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟 =

3,535𝑘𝑔

𝑚2 ∙ 𝑕

0,018𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙

× 1 − 0,0206

1 − 0,43099 × 1,03 𝑏𝑎𝑟 − 0,02 𝑏𝑎𝑟 × 1 − 0,006247

= 339,71 𝑚𝑜𝑙/(𝑚2 ∙ 𝑕 ∙ 𝑏𝑎𝑟)

Beispielrechnung für den Stufenschnitt.

Θ =𝑉𝑝

𝑉 𝐹=

0,0317𝑙𝑕

0,4752𝑙𝑕

= 0,067

3.8.1. Validierung der Messergebnisse.

Um die Messungen zu validieren, wird der Massenanteil des Feeds aus den Kompo-

nenten und gesamten Massenbilanz berechnet und dies mit dem Massenanteil des

Feed verglichen, der aus der Messung der Flüssigkeitszusammensetzung der Vorl a-

gebehälter und der VLE-Diagramm des Gemischs resultiert.

𝑥𝐹,1 ∙ 𝐹 = 𝑥𝑅,1 ∙ 𝑅 + 𝑦𝑝 ,1 ∙ 𝑃

𝐹 = 𝑅 + 𝑃

→ 𝑥𝐹,1 =𝑥𝑅 ,1∙𝑅 +𝑦𝑃 ,1∙𝑃

𝑅 +𝑃 GL. 25

In Anhang sind die Ergebnisse dieser Massenbilanz dargestellt (Tabelle 10, 11 und

12). Grobgesehen, stellt man eine Abweichung von weniger als 2% fest. Wir können

also behaupten dass die Messungen ohne wesentlichen Fehler durchgeführt worden

sind.

Hier folgt nun die Auswertungstabellen.

𝑥𝐹,1 , 𝐹

𝑥𝑅,1, 𝑅

𝑦𝑝 ,1, 𝑃

Membranmodul

Abb. 30: Massenbilanz



44

Tabelle 7: Auswertungstabelle IPA-Wasser-Gemisch (PERVAP 2200)

Reihe Feedstrom

dichte Permeatfluss

Gew.-% IPA in Permeat

Gew-% IPA in Retentat

Permeanz IPA Permeanz H20 Sij

[kg/m²h] [kg/(m²h)] [%] [%] [kg/(m².h.bar)] [kg/(m².h.bar)] [-]

1

89,30 0,6450 1,39 88,86 0,01250 2,06780 534,80

86,24 0,5793 0,95 88,94 0,00768 1,86555 785,35

88,96 0,5717 0,90 88,96 0,00718 1,84220 829,40

88,70 0,5313 0,95 88,92 0,00705 1,71117 785,35

88,84 0,5332 0,95 89,33 0,00707 1,71716 785,35

85,39 0,4675 0,90 89,29 0,00587 1,50623 829,40

2 26,64 0,3923 1,44 90,50 0,00791 1,28543 525,08

30,02 0,4005 1,11 90,58 0,00621 1,31684 684,91

3

78,84 0,5535 1,44 88,88 0,01121 1,77536 511,96

87,07 0,4007 1,28 89,08 0,00718 1,47902 579,72

90,01 0,4765 1,39 89,29 0,00928 1,75700 532,74

87,50 0,5241 1,44 89,33 0,01062 1,93132 511,96

86,22 0,4609 1,44 89,54 0,00934 1,69852 511,96

4

90,04 0,4686 2,17 88,72 0,01418 2,67883 337,51

85,12 0,3746 2,17 88,64 0,01134 2,14160 337,51

91,58 0,4007 2,33 88,68 0,01306 2,28554 312,86

91,94 0,3582 2,33 88,44 0,01168 2,04333 312,86

5

80,93 0,8808 1,39 87,44 0,01825 2,45147 436,14

84,55 0,8142 1,06 87,31 0,01282 2,27400 575,81

81,89 0,8349 1,00 86,90 0,01246 2,33315 608,14

84,57 0,8415 0,88 87,77 0,01099 2,35443 695,90

83,85 0,8672 0,85 87,25 0,01100 2,42712 716,55

86,49 0,9745 0,95 87,42 0,01382 3,07035 640,47

85,61 0,7850 0,95 87,35 0,01113 2,47304 640,47

83,22 0,7012 0,90 87,33 0,00942 2,21031 676,40

78,71 1,1422 0,98 87,54 0,01662 3,59767 623,89

83,67 0,7830 1,00 87,60 0,01168 2,46541 608,14

83,37 0,7737 1,06 87,58 0,01219 2,43484 575,81

6

77,39 0,6487 1,67 87,10 0,01616 2,97150 362,43

79,85 0,7301 1,72 86,92 0,01880 3,34218 350,54

82,05 0,6934 1,56 87,13 0,01612 3,18073 388,76

7 27,08 0,5962 0,98 89,33 0,00871 1,68843 629,11

28,24 0,6830 0,85 89,71 0,00870 1,93645 722,54

8

91,61 0,8002 1,28 87,00 0,01522 2,52820 478,57

90,51 0,7746 1,08 86,92 0,01249 2,45212 565,58

89,62 0,8492 1,00 87,08 0,01264 2,69072 613,23

85,63 0,8593 0,95 87,00 0,01215 2,72419 645,83

84,21 0,8659 0,98 87,04 0,01256 2,74433 629,11



45

Tabelle 8: Auswertungstabelle Wasser-ETOH-Gemisch (PERVAP 2200)

Reihe Feedstrom-

dichte Permeatfluss

Gew.-% ETOH im Permeat

Gew. % ETOH im Retentat

Permeanz ETOH Permeanz H20 Sij

[kg/(m²h)] [kg/(m²h)] Gew.[%] Gew.% [kg/(m².h.bar)] [kg/(m².h.bar)] [-]

1 50,58 0,06433 3,294 98,00 0,00230 0,63586 642,67

2

44,40 0,35412 2,639 94,56 0,01125 1,83809 397,16

47,16 0,36637 1,667 94,07 0,00735 1,92104 635,12

44,05 0,37832 1,667 94,25 0,00759 1,98368 635,12

3 43,76 0,28943 2,972 93,35 0,01014 1,50365 360,67

4 39,07 0,27508 2,722 93,31 0,00900 1,83336 389,68

5 66,40 0,36312 3,000 92,40 0,01304 2,39980 352,59

65,29 0,34568 2,889 92,36 0,01196 2,28750 366,57



46

Tabelle 9: Auswertungstabelle Wasser-NPA-Gemisch (PERVAP 2201)

Reihe Feedstromdichte Permeatfluss Gew.-% NPA in

Permeat

Gew. % NPA in

Retentat Permeanz NPA Permeanz H20 Sij

[kg/(m²h)] [kg/(m²h)] [%] [%] [kg/(m².h.bar)] [kg/(m².h.bar)]

1

52,99 2,466 0,79 78,72 0,040 4,926 371,24

52,82 2,557 0,79 78,94 0,042 5,109 371,24

52,96 2,483 0,74 79,40 0,038 4,964 397,96

52,13 2,526 0,74 79,13 0,038 5,049 397,96

54,09 2,486 0,68 79,17 0,035 4,972 428,80

2 29,45 2,149 0,68 81,19 0,031 4,318 428,80

28,09 2,248 0,74 81,24 0,034 4,514 397,96

3

47,48 2,726 0,95 79,95 0,053 5,054 310,84

50,73 2,752 0,79 79,86 0,045 5,110 373,60

49,58 2,742 0,89 79,17 0,051 5,086 329,30

48,84 2,476 1,24 78,90 0,063 6,194 237,70

49,00 2,461 1,24 78,72 0,063 6,156 237,70

49,52 2,432 1,18 79,31 0,059 6,087 249,73

4

55,67 3,402 0,95 76,69 0,072 5,848 264,90

54,32 3,505 0,95 76,59 0,075 6,025 264,90

54,12 3,453 0,95 76,84 0,074 5,937 264,90

55,38 3,480 1,06 76,44 0,083 6,421 236,75

55,22 3,520 1,06 76,69 0,084 6,495 236,75

53,80 3,451 1,06 76,05 0,082 6,366 236,75

51,31 3,079 1,06 76,40 0,073 6,261 236,75

52,01 3,654 1,06 76,59 0,087 7,432 236,75

53,36 3,245 1,06 76,64 0,077 6,601 236,75

51,37 3,045 1,47 76,49 0,101 6,165 169,75

50,32 3,247 1,41 76,49 0,103 6,578 176,93

53,30 3,217 1,41 76,35 0,102 6,517 176,93

51,71 3,017 2,12 76,35 0,144 6,066 117,11

51,33 3,066 2,18 76,35 0,150 6,161 113,87

50,89 2,952 2,18 76,54 0,145 5,933 113,87

50,39 2,582 2,76 75,80 0,161 5,155 89,11

5

43,30 2,603 3,32 75,85 0,195 8,743 73,88

48,22 2,769 3,42 76,05 0,214 9,289 71,52

49,56 2,640 3,42 76,30 0,204 8,856 71,52

48,61 2,329 4,24 75,65 0,223 9,317 57,29

50,03 2,748 4,24 75,80 0,264 10,996 57,29

49,41 2,763 5,12 75,90 0,321 10,907 46,97

6

48,16 3,535 2,06 77,78 0,164 6,115 120,48

45,91 3,306 2,22 77,51 0,166 6,642 111,26

46,59 3,068 2,72 77,01 0,189 7,696 90,36

7 29,72 3,119 2,33 80,40 0,165 6,280 105,84

26,93 2,650 2,83 79,65 0,170 6,670 86,72

Nun hier folgen ein paar graphische Darstellungen der Ergebnisse.



47

3.8.2. Graphische Darstellung für das Gemisch IPA-Wasser

In der Abb. 31 sieht man eine klare Abhängigkeit des Permeatflusses von der

Feedstromdichte. Je höher die Feedstromdichte desto höher der Permeatfluss.

Abb. 31: Permeatfluss beim konstanten druck 0,01 bar

In der Abb. 32 sieht man, dass je höher die Feedstromdichte ist, desto kleiner der

Gewichtanteil von IPA im Retentat.

.

Abb. 32: Gew.% IPA in Retentat

0,8808

0,6830

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00

Pe

rme

atfl

uss

[kg

/(m

²h)]

Feedstromdichte [kg/m²h]

Permeatfluss beim konstanten Druck 0,01 bar

86 Gew.% IPA

88,2 Gew.% IPA

86,0

86,5

87,0

87,5

88,0

88,5

89,0

89,5

90,0

90,5

91,0

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0

Ge

w.%

IPA

im R

ete

nta

t


Gew.% IPA in Retentatbei 0,01 bar Permeatdruck

88,2 Gew. IPA im Feed

86 Gew. IPA im Feed



48

In der Abb. 33 lässt sich keine Tendenz erkennen, was die Abhängigkeit der Gew. %

IPA in Permeat mit der Feedstromdichte angeht. Dies lässt vermuten , dass die Sensi-

tivität der Reinheit des Permeatstroms auf der Feedstromdichte für das Gemisch IPA-

Wasser bei 0,01 bar Permeatdruck sehr gering ist.

Abb. 33: Gew.% IPA im Permeat

In der Abb. 34 kann man, wenn auch schwer, erkennen, dass ein höheres Vakuum zu

einem größerem Gewichtanteil von IPA im Retentat führt.

Abb. 34: Gew.% IPA im Retentat in Abhängigkeit vom Druck

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0 20 40 60 80 100

Ge

w.%

IPA

im P

erm

eat


Gew.% IPA im Permeat bei 0,01 bar Permeatdruck

88,2 Gew.% IPA in Feed

86 Gew.% IPA in Feed

86

87

88

89

90

0 0,05 0,1 0,15 0,2

Ge

w. %

IPA

im R

ete

nta

t

Permeatdruck [bar]

Gew.% IPA im Retentat

Feed 88,24 Gew.%

Feed 86 Gew.%



49

In der Abb. 35 ist zu erkennen, dass je höher das Vakuum desto kleiner der Gew. %

von IPA im Permeat.

Abb. 35: Gew.% IPA im Permeat in Abhängigkeit vom Permeatdruck

Der Permeatfluss in Abb. 36 ist umso höher, je höher das Vakuum ist. Dies trifft un-

sere Erwartungen zu.

Abb. 36: Permeatfluss beim IPA-Wasser-Gemisch in Abhängigkeit von Permeatdruck

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

1,5

1,7

1,9

2,1

2,3

2,5

0 0,05 0,1 0,15 0,2

Ge

w. %

IPA

im P

erm

eat

Permeatdruck [bar]

Gew.% IPA im Permeat

Feed 88,24 Gew.%

Feed 86 Gew.%

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 0,05 0,1 0,15 0,2

Pe

rme

atfl

uss

Kg/

(m²h

)

Permeatdruck [bar]

Permeatfluss

86 Gew.% IPA im Feed

88,2 Gew.% IPA im Feed



50

2,702,752,802,852,902,953,003,05

0 20 40 60 80

Ge

w.%

ETO

H in

Pe

rme

at


Gew.% ETOH im Permeat bei 0,05 bar

Permeatdruck

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0 20 40 60 80

Pe

rme

atfl

uss

[kg

/(m

²h)]


Permeatfluss bei 0,05bar Permeatdruck

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 0,02 0,04 0,06Pe

rme

atfl

uss

[kg

/(m

²h)]

Permeatdruck [bar]

Permeatfluss bei 90 Gew.-% ETOH im Feed

0

1

2

3

4

0 0,02 0,04 0,06Ge

w.%

ETO

H im

pe

rme

at

Permeatdruck [bar]

Gew.% ETOH im Permeat bei 90 Gew.-

% ETOH im Feed

3.8.3. Graphische Darstellung für das Gemisch ETOH-Wasser

In Folgenden sind ein paar Ergebnisse beim Gemisch ETOH-Wasser dargestellt.

Aufgrund von relativ geringen Messungen können wir hier keine aussagekräftige Be-

obachtung machen. Es ist aber zu notieren dass der Permeatfluss ziemlich gering ist.

Siehe Abb. 37, 38, 39, 40.

Abb. 37: Gew.% ETOH im Permeat bei 0,05

bar Permeatdruck und 90 Gew.% ETOH im

Feed

Abb. 38: Permeatfluss bei 0,05bar Per-

meatdruck und 90 Gew.% ETOH im Feed

Abb. 39: Permeatfluss bei 90 Gew.-% ETOH

im Feed

Abb. 40: Gew.% ETOH im Permeat bei 90

Gew.-% ETOH im Feed



51

3.8.4. Graphische Darstellung für das Gemisch NPA-Wasser

In der Abb. 41 sieht man, dass je höher die Feedstromdichte desto größer der Per-

meatfluss.

Abb. 41: Permeatfluss beim Gemisch NPA-Wasser im Abhängigkeit von Feedstromdichte

Je höher der Feedstromdichte in der Abb. 42 desto kleiner der Gew.% von NPA im

Retentat.

Abb. 42: Gew.-% NPA in Retentat beim Gemisch NPA-Wasser im Abhängigkeit von der

Feedstromdichte

2,557

2,248

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

3,8

0 10 20 30 40 50 60

Pe

rme

atfl

uss

[kg

/(m

²h)


Permeatfluss

Permeatdruck 0,1 bar 71,7 Gew.% NPA in Feed



75

76

77

78

79

80

81

82

0 10 20 30 40 50 60

Ge

w.%

NP

A im

Re

ten

tat


Gew.-% NPA in Retentat

Permeatdruck 0,05 bar; 74,71 Gew.% NPA in FeedPermeatdruck 0,1 bar; 71,7 Gew.% NPA in Feed

Permeatdruck 0,2 bar; 71,7 Gew.% NPA in Feed



52

In der Abb. 43 ist keine klare Aussage bezüglich einer Tendenz möglich. Man kann

aber sagen, dass der Gew. % NPA im Permeat in diesem Messungsbereich wenig zur

Feedstromdichte sensitiv ist.

Abb. 43: Gew.% NPA in Permeat im Abhängigkeit von der Feedstromdichte.

Je größer das Vakuum in der Abb. 44 desto größer ist der Gew. % von NPA im Re-

tentat.

Abb. 44: Gew.% NPA im Retentat bei konstantem Feedstrom

2,12

2,722,83

1,06

2,33

0

1

1

2

2

3

3

4

0 10 20 30 40 50 60

Ge

w.%

NP

A im

Pe

rme

at


Gew.% NPA in Permeat




75,0

75,5

76,0

76,5

77,0

77,5

78,0

78,5

79,0

79,5

80,0

80,5

0 0,1 0,2 0,3 0,4

Ge

w. %

"N

PA

" im

Re

ten

tat

Permeatdruck [bar]

Gew.% NPA im Retentatbei konstantem Feedstrom

74,71 Gew.% NPA in Feed Genauigkeit 0,2%

71,7 Gew.% NPA in Feed Genauigkeit 0,2%



53

In der Abb. 45 erkennt man wieder dass ein höheres Vakuum zu einem höheren Per-

meatfluss führt.

Abb. 45: Permeatfluss "NPA"-Wasser Gemisch bei konstantem Feedstrom

Je höher das Vakuum in der Abb. 46 desto kleiner der Gew. % von NPA im Permeat,

wobei bei Drücke unter 100 mbar diese Abhängigkeit zu verschwinden schein.

Abb. 46: Permeat Zusammensetzung bei konstantem Feedstrom

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Pe

rme

atfl

uss

Kg/

(m²h

)

Permeatdruck [bar]

Permeatfluss "NPA"-Wasser Gemisch bei konstantem Feedstrom

Feed: 71,56 Gew.% NPA

0

1

2

3

4

5

6

0 0,1 0,2 0,3 0,4

Ge

w. %

"n

-PA

" in

Pe

rme

at

Permeatdruck [bar]

Permeat Zusammensetzung bei konstantem Feedstrom

74,71 Gew.% NPA in Feed

71,7 Gew.% NPA in Feed



54

Aus der Betrachtung diesen Diagrammen stellt man eine Abhängigkeit des

Permeatflusses mit der Zulaufstromdichte, Zusammensetzung (Abb. 31) und Druck (

Abb. 36) fest. Bemerkenswert ist auch, dass eine Verringerung des Zulaufstroms

keinen großen Einfluss auf die Permeatzusammensetzung hat, wohl aber auf die Re-

tentatzusammensetzung.

Bei den Gemischen IPA-Wasser und NPA-Wasser stellten wir fest, dass je kleiner die

Zulaufgeschwindigkeit ist, desto kleiner der Permeatfluss und desto größer der Ge-

wichtanteil von Alkohol im Retentat.

Was die Abhängigkeit des Gewichtanteils von Alkohol im Permeat mit dem Zulauf-

strom angeht, könnten wir beim IPA-Wasser-Gemisch keine klare Tendenz beobach-

ten. Beim Gemisch NPA-Wasser kommt es zu einer Erhöhung des Gewichtanteils

von NPA im Permeat je kleiner der Zulaufstrom ist.

Für den Vergleich mit anderen Versuchen in der Literatur müssen wir anstatt dem

Zulaufstrom, die Zulaufstromdichte im Bezug auf die Membranfläche berücksicht i-

gen. In [10, S. 150] wurde mit derselben Membran PERVAP 2201, einer Fläche von

0,5 m², einem Permeatdruck von 71 mbar, einer Zulaufzusammensetzung von 71,8

Gew.- % NPA und bei einer Zulaufstromdichte von 7 kg/(m²h) ein Gewichtanteil von

4,3 Gew.- % NPA im Permeat gemessen. Der Permeatfluss war entsprechend kleiner

(1,55 kg/m²h). Die Zulaufstromdichte in unserem Versuch bei relativ ähnlichen Be-

dingungen ist mit ca. 50 kg/(m²h) um ungefähr 7 Mal größer, und der Gewichtanteil

von NPA in Permeat ist bei ca. 3 Gew.- %. Der Permeatfluss liegt bei ca. 3,2 kg/m²h.

Beobachtet man die Zulaufstromdichte und den Permeatfluss bei dem Gemisch NPA-

Wasser in der Tabelle 9 so stellt man fest, dass eine Verringerung der Feedstrom-

dichte um ca. 47 % zu einer Verringerung des Permeatflusses um nur ca. 13% führt.

Der Stufenschnitt Θ geht so von 0,041 auf 0,067 (Für die Berechnung Siehe Anhang).

Für das Gemisch Ethanol-Wasser können wir aufgrund von geringeren Messwerten

keine Aussage treffen. Darüber hinaus ist der Permeatfluss von 0,35 kg/(m²h) bei 10

Gew.-% Wasser ziemlich klein im Vergleich zum Permeatfluss von 11 kg/(m²h), der

mit einer Na A-Zeolithmembrane desFraunhofer IKTS erreicht werden kann

[14, S. 3].

Es ist auch zu beobachten, dass je höher der Unterdruck auf der Permeatseite ist, des-

to größer der Permeatfluss und desto kleiner der Gewichtanteil von Alkohol im Per-

meat.

Um diese zu Beobachtungen zu erklären stützen wir uns auf das Lösungsdiffusion s-

modell. Wir betrachten dabei jeweils die Widerstände vor der Membrane (Adsorpt i-

on), in der Membrane (Diffusion) und nach der Membrane (Desorption)

Wir vermuten, dass die Abhängigkeit der Permeatfluss mit der Feedstromdichte liegt

an der Konzentrationspolarisation. Der Turbulenzgrad des Feedstrom wird durch die

höhere Geschwindigkeit des Feeds größer. Dies führt dazu dass die laminare Unter-

schicht des an der Membrane kondensierten Feedstrom kleiner wird und dies verrin-



55

gert die Konzentrationspolarisation der Komponenten und vergrößert somit die Ad-

sorptionsvermögen der Membrane. Diese höhere Geschwindigkeiten haben als Kon-

sequenz eine Verringerung der Gewichtanteil von der zurückgehaltenen Komponente

im Retentat (Abb. 32 und 42). Dies kommt daher dass es viel mehr permeierenden

Komponenten gibt, die das Modul pro Zeit Einheit passieren als es durch die Mem b-

rane diffundieren kann.

Die Diffusion in der Membrane ist Charakterisiert durch die Diffusionskoeffizient.

Eine Erhöhung der Temperatur des Membranmoduls führt zur Erhöhung der Diffus i-

onskoeffizient. Beim Wechsel von IPA- auf NPA-Wassergemisch haben wir dies Im-

plizit durchgeführt, da NPA eine höhere Sättigungstemperatur hat als IPA. ETOH hat

eine noch niedrigere Sättigungstemperatur als IPA; Dies könnte die geringere Pe r-

meatfluss beim Gemisch ETOH-Wasser zum Teil erklären.

Wir vermuten auch dass der Einfluss des Permeatdrucks auf den Permeatstrom (z. B.

Abb. 30, 39) an der Abhängigkeit der Aktivitäten der Komponenten auf der Permeat-

seite mit dem druck liegt. Eine wichtige Größe ist der Differenz zwischen dem Sätt i-

gungsdruck der permeierenden Komponente und dem Permeatdruck. Je höher diese

Druckdifferenz ist desto größer ist die maximale Desorptionsgeschwindigkeit und

desto niedriger ist der Konzentration der permeierenden Komponenten auf der Pe r-

meatseite. Diese niedrigere Konzentration bedeutet eine geringere Aktivität, was der

Aktivitätsgradient innerhalb der Membrane erhöht. Diese Druckdifferenz könnte ein

Grund dafür sein, dass man z. B. im Abb. 45 und 46 bei Drücke unter 100mbar keine

oder geringere Abhängigkeit der Permeatzusammensetzung und Permeatfluss mit

dem Permeatdruck beobachtet. Diese könnte daran liegen, dass die maximale Desorp-

tionsgeschwindigkeit gerade so groß ist, dass weniger Komponenten auf der Pe r-

meatseite gelangen als es tatsächlich verdampfen kann.



56

3.9. Wichtige Anmerkungen aus der Versuchsdurchführung

Während der Versuchsdurchführung, besonders beim Gemisch ETOH-Wasser beo-

bachteten wir eine starke Schwankung des Drucks im Vorlagebehälter. Dies war

hauptsächlich auf Überhitzung der Flüssigkeit bzw. Siedeverzug zurückzuführen.

Ein erster Versuch, dies mit Porzellanstäbchen zu beheben, war nicht erfolgreich, da

wir nach einem Tag wieder vor dem gleichen Problem standen. Beim Gemisch IPA-

Wasser war dies von der Sicherheitstechnik her noch hinnehmbar. Beim Gemisch

ETOH-Wasser war dies nicht mehr der Fall, so dass wir unbedingt das Problem be-

heben mussten. Das Hinzufügen von Siedesteinchen wurde schon beim Gemisch IPA-

Wasser probiert. Es hatte aber zur Folge, dass das Gemisch verfärbt wurde ; wir

mussten deshalb auf die Wahl der Siedesteinchen achten. Dieses Problem konnten

wir bei den Gemischen ETOH-Wasser und NPA-Wasser lösen indem wir Kieselsteine

verwendeten(Abb. 47). Kieselstein hat wohl bei diesen Versuchsbedingungen eine

stabile poröse Oberfläche, die die Bildung kleine Blasen erleichtet, und dazu beo-

bachteten wir keinerlei Verfärbung unseres Flüssigkeitsgemischs.

Abb. 47: Siedesteinchen im Vorlagebehälter B1

Siedesteinchen

Porzellan Stäbchen



57

Der Anfahrvorgang der Anlage hat beim Gemisch NPA-Wasser ein bisschen länger

gedauert aufgrund des Heizvorgangs. Das Gemisch NPA-Wasser hat in unserem Fall

mehr Wasseranteil gehabt, deswegen war die Wärmekapazität des Systems höher;

Das heißt die Wärmeträgheit des Systems ist höher. Desweiteren waren wir beim

Energieeintrag im Vorlagebehälter anlagebedingt limitiert da die Temperaturdiffe-

renz der Wärmeübertragung beim Gemisch NPA-Wasser größer war (Die Siede Tem-

peratur des Gemisch NPA-Wasser ist höher als die von IPA-Wasser). Diese Gege-

benheiten führten zu relativ kleinen Zulaufströmen, was uns Schwierigkeiten bereite-

te bei der Einhaltung des Parameters Zulaufstrom. Denn wir mussten die Prob en erst

nach dem Aufnehmen jedes Wertes zurück in den Vorlagebehälter legen.

Das Hinzufügen von auch geringeren Probemengen hatte zur Folge, dass die Ver-

dampfung im Behälter B1 auf einmal viel kleiner wurde, aufgrund des geringeren

Energieeintrags. Dies führte dazu, dass wir dann ca. 10 Minuten immer wieder war-

ten mussten um einen relativ konstanten Überdruck im Vorlagebehälter B1 zu erha l-

ten.

Die Schwankungen der Zulaufgeschwindigkeit führten zu Schwankungen der Per-

meationswiderstände auf der Retentat Seite. Deshalb mussten viele Werte besonders

beim Gemisch IPA-Wasser aufgenommen werden um eine Tendenz richtig zu erken-

nen. Die Diagramm Gew.-% im Permeat, Gew.-% im Retentat und Permeatfluss in

Abhängigkeit des Drucks sind deshalb mit Vorsicht zu genießen, da der Parameter

Feedstrom nicht relativ konstant war.

In der Permeatleitung gab es eine Strecke (Abb. 48), an der sich Flüssigkeitstropfen

besonders ansammelten. Dies kann zur Verfälschung der Messwerte führen. Die

Permeatzusammensetzung in diesem Versuch besteht über 96 Gew. -% aus Wasser, so

müsste die Temperatur in der Permeatleitung angesichts der Dampfdruckkurve des

Wassers höher als 75°C liegen, weil es sonst bei einem Permeatdruck von 350 mbar

zur Kondensation der Flüssigkeit an den Wänden führt.

Um eine Verfälschung der Messwerte zu vermeiden, mussten wir die Probemenge

des Permeats groß halten, und nach jeder Änderung der Parameter, eine Weile war-

ten, um relativ konstante Werte (Permeatzusammensetzung) zu erhalten. Leider führt

dies zur Verlängerung der Versuchszeit. Eine Schutzbeheizung und nicht benetzende

Oberfläche hätte einerseits das Problem beseitigt, aber der apparative Aufwand wäre

dafür andererseits zu groß gewesen.



58

Abb. 48: Tropfenbildung an der Permeatleitung

Ein anderes aufgetretenes Problem war die Kühlung auf der Permeatseite. Es ist

wichtig, dass es ausreichend gekühlt wird, denn sonst gelangt ein Teil des Permeat-

Dampfes in die Membranvakuumpumpe und geht so verloren, was die Ergebnisse

verfälschen würde. Die Kühlung hat auch die Aufgabe einen Druckgradienten in der

Permeatleitung zu erzeugen und so eine Zirkulation zu ermöglichen.

Durch die Kondensation entsteht Flüssigkeit, und es bleibt nur inerten Gase die ein

größeres spezifisches Volumen haben und dazu noch niedrigere Temperaturen. Nach

dem idealen Gasgesetz ist 𝑝 =1

𝑣

𝑅 𝑇

𝑀 so ist der Druck am Kondensator niedriger. So

entsteht eine Zirkulation in der Permeatleitung.

Bei den Gemischen IPA-Wasser und ETOH-Wasser konnten wir die Temperatur des

Kühlaggregates auf -1° C senken, ohne dass es zur Vereisung kommt. Beim Gemisch

NPA-Wasser war dies nicht mehr der Fall. Wir mussten die Temperatur des Kühla g-

gregates auf 1°C erhöhen um die Vereisung zu vermeiden. In der Abb.43 sieht man

gut das Eis, das bei der Temperatur – 1°C entstanden ist.



59

Abb. 49: Vereisung des Permeats im Kondensator W1

Hier ist Eis drin



60

3.10. Vorschlag für neue Praktikumsanordnung.

Für das Praktikum wird Wert darauf gelegt , dass der Versuch relativ schnell ist, und

dass man mit einem Azeotrop-Gemisch arbeitet. Die Praktikumsanlage wird bis jetzt

mit dem Gemisch Isopropanol-Wasser, Permeat-Drücke von 50, 100, 150 mbar und

die Membran PERVAP 2200 vom Typ SULZER betrieben. Das Plattenmodul hat

eine Membranfläche von 0,0147 m². Da der Permeatstrom hier gering ist (ca. 7 ml/h

bei 50 mbar), führt das zu hoher Versuchsdauer, da hier nicht nur die Messung dau-

ert, sondern auch die Zeit, die man braucht um bei der Änderung von Parametern,

konstante Werte zu erreichen. Desweiteren ist es schwierig aufgrund von Siedever-

zug den Feedstrom konstant zu halten. Dies ist auch zu beobachten an den starken

Schwankungen des Überdrucks im Vorlagebehälter.

Unser Vorschlag wäre hier zu dem Gemisch n-Propanol-Wasser zu wechseln. Dies

hat einen Azeotrop bei ca. 71,7 Gew.-% NPA, was zu einem höheren Permeatstrom

führt. Dazu muss auch die Membran PERVAP 2201 montiert werden, da die Memb-

ran PERVAP 2200 nur maximal 15 Gew.-% Wasser im Feed erträgt, wohingegen die

Membran PERVAP 2201 maximal 90 Gew.-% Wasser im Feed zulässt.

In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass ein Permeatstrom von 50 ml/h erreicht werden

kann und dies mit dem Azeotrop NPA-Wasser. Es repräsentiert eine Verbesserung

des Permeatstroms um mehr als 570 %. Durch solche große Ströme kann die Auswir-

kung von Tropfenbildung in der Permeatleitung auf die Messungen ohne großen

Aufwand und Zeiteinbuße minimiert werden. Der Auflösungsbereich des Permeatd-

rucks kann auch größer gewählt werden, da auch bei 350 mbar Permeatströme von 40

ml/h erreicht werden können. Bemerkenswert ist auch, dass der Gewichtanteil von

NPA im Permeat immer relativ klein ist.

Durch die Benutzung von Kieselsteinen kann der Siedeverzug minimiert werden, was

die Messung erleichtert und die Auswertung einfacher macht.

Eine so veränderte Anlage würde den Versuch kurzer und die Auswertung le ichter

machen.

4. Zusammenfassung und Ausblick


61


In der vorliegenden Arbeit wurde versucht Testgemische für die Dampfpermeation zu

charakterisieren. Durch ein Auswahlverfahren nach dem Azeotrop Punkt, der Gefäh r-

lichkeit, dem Siedeverhalten, der Zugänglichkeit und der industriellen Bedeutung

wurden die Testgemische Ethanol-Wasser, Isopropanol-Wasser und n-Propanol-

Wasser ausgewählt. Die benutzten Membran PERVAP 2200 und PERVAP 2201 wa-

ren schon im Lager verfügbar. Es wurde viele Versuchen durchgeführt um die opti-

male Kombination aus Gemisch, Membrane und Fahrweise zu finden. Die Ergebnisse

wurden mit Literaturwerten verglichen, wobei wir die Feedstromdichte bilden müs s-

ten und die als wichtige Größe beim Vergleich berücksichtigen müssten. Bei der

Aufnahme der Messwerte wurde bis zum stationären Bedingungen gewartet. Als

Analyseverfahren für die Zusammensetzung wurde die Dichteanalyse benutzt mit

einschließender Interpolation zwischen Werten aus der Literatur.

Um Siedeverzug zu verhindern wurde Kieselsteinen benutzt da Porzellanstäbchen

besonders beim Gemisch ETOH-Wasser zu schnell ihre Effektivität verlieren.

Beim Gemisch ETOH-Wasser war es unmöglich angesichts der sehr kleinen Ströme

und aufgrund der relativ kleinen uns zur Verfügung stehenden Zeit, ausreiche nd

Messungen durchzuführen. Deshalb ist es uns nicht möglich aussagekräftige Be-

obachtungen bezüglich der Tendenz gegenüber Parameteränderungen zu machen. A l-

lerdings sind die Permeatströme am Azeotrop Punkt, mit der Membran PERVAP

2200, in der Größenordnung von 0,001 Liter pro Stunde. Dies ist für den Prakti-

kumsversuch nicht geeignet. Eine bessere Membrane stellt die Na A-

Zeolithmembrane des Fraunhofer IKTS, womit man Permeatsflüsse von 11 kg/(m²h)

erreichen kann [14, S. 3].

Es hat sich beim Gemisch IPA-Wasser und NPA-Wasser bestätigt, dass der Permeatf-

luss, die Permeatzusammensetzung und die Retentatzusammensetzung eine Funktion

des Permeatdrucks, der Zulaufstromdichte und der Zulaufzusammensetzung ist. Je

größer der Feedstromdichte war, desto weniger Alkohol fand man im Permeat, desto

kleiner war der Gewichtanteil von Alkohol im Retentat und desto größer war der

Permeatstrom. Je höher der Permeat-Unterdruck war, desto größer der Permeatstrom,

desto reiner das Permeat und desto konzentrierter war der Alkohol im Retentat. Alle

diese Abhängigkeiten basieren auf den Einfluss der Parameter auf die Stofftrans-

portwiderstände. Es wurde beim Gemisch IPA-Wasser am Azeotrop Punkt mit der

Membran PERVAP 2200 von SULZER gezeigt, dass man einen maximalen Per-

meatstrom von ca. 0,6 kg/m²h erreichen kann. Dies ist auch in derselben Größenord-

nung wie die Angaben von SULZER.

Durch gezielte Variation dieses Parameters kann man je nachdem, ob man Wert auf

der Reinheit des Permeats, oder der Reinheit des Retentats legt, die Ergebnisse be-



62

einflussen. In [10, S. 150] ist mit relativ kleiner Feedstromdichte von 7 kg/m²h des

Gemischs NPA-Wasser und einer Zulaufzusammensetzung von ca. 72 Gew. % NPA

eine Retentat Zusammensetzung von ca. 90 Gew. % NPA und eine Permeatzusam-

mensetzung von ca. 95 Gew.-% Wasser erzielt worden. In unserem Versuch haben

wir, bei relativen gleichen Zulaufbedingungen, aber bei einer Feedstromdichte von

ca. 52 kg/m²h des Gemischs NPA-Wasser eine Retentatzusammensetzung von ca.

76,5 % NPA erreicht. Diese Variation der Geschwindigkeit kann gut in einem Hyb-

ridverfahren genutzt werden, in dem man Wasser so weit wie möglich der Reaktion

entziehen will, wie es der Fall bei der Herstellung von n-Propylpropionat ist.

Es ist uns gelungen, Permeatströme von ca. 50 ml/h beim Gemisch NPA-Wasser am

Azeotrop Punkt bei noch guten Selektivitäten zu erreichen. Diese im Vergleich zum

Gemisch IPA-Wasser um ca. 570% höheren Permeatströme sind von großem Vorteil

bei der Durchführung von Praktikumsversuchen. Deshalb unserer Empfehlung zum

Gemisch NPA-Wasser zu wechseln.

Wir denken, es wäre Interessant den Einfluss des Feedstromdichte auf den Per-

meatstrom in einem breiten und mehr aufgelösten Bereich zu untersuchen. Dabei

sollte auch eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung herangezogen werden . Uns war auch,

angesichts der uns zur Verfügung stehenden Zeit , nicht möglich das Gemisch IPA-

Wasser mit der Membrane PERVAP 2201 zu untersuchen. Eine solche Untersuchung

wäre nötig, um einen optimalen Vergleich durchführen zu können.

Es wurde besonders beim Gemisch NPA-Wasser beobachtet, dass bei drücke unter

100 mbar der Gewichtanteil von NPA im Permeat relativ konstant ist. Weitere Unte r-

suchungen wären nötig in Hinsicht auf die Bestätigung dieser Beobachtung. Es wurde

von uns vermutet, dass die Differenz zwischen den Dampfdruck der permeierenden

Komponenten und der Permeatdruck hier eine entscheidende Rolle spielt.

Formel- und Symbolverzeichnis


63

Formelzeichen

Eine 1 in der Spalte der Dimensionen steht für das Verhältnis zwei gleicher SI -

Einheiten

Symbol Dimension Bedeutung

𝑚 𝑡𝑜𝑡 ,𝑝

𝑘𝑔

𝑚2 ∙ 𝑕

Gesamt Permeatfluss der Membrane

𝑛 𝑖 𝑚𝑜𝑙

𝑚2 ∙ 𝑠

Fluss der Komponente i

𝐷𝑀,𝑖 𝑚2

𝑠

Gegendiffusionskoeffizient der Komponente i in der

Membran

𝐷𝑀 ,𝑖0 𝑚2

𝑠

Thermodynamische Diffusionskoeffizient

𝑄𝑖 𝑘𝑔

𝑚2 ∙ 𝑕 ∙ 𝑏𝑎𝑟

Permeanz der Komponente i durch die Membrane

𝑆𝑖 ,𝑗 1 Selektivität der Membrane für die Komponente i

gegenüber die Komponente j

𝑎𝑀,𝑖 1 Aktivitätskoeffizient der Komponente i in der

Membran

𝑏𝑀,𝑖 𝑚2 ∙ 𝑚𝑜𝑙

𝐽 ∙ 𝑠

Beweglichkeit der Komponenten i in der Membrane

𝜇𝑀𝑖 𝐽

𝑚𝑜𝑙 Chemische Potential der Komponente i in der

Membran

G 𝐽

𝑚𝑜𝑙 Molare freie Enthalpie

p 𝑏𝑎𝑟 Druck

R 𝐽

𝑚𝑜𝑙 ∙ 𝐾 Universelle ideale Gaskonstante

T 𝐾 Absolute Temperatur

Θ 1 Stufenschnitt

Formel- und Symbolverzeichnis


64

Symbol Dimension Bedeutung

𝐾𝑛 1 Knudsen Zahl

𝑀 𝑘𝑔

𝑚𝑜𝑙 Molare Masse

𝑑0 𝑚 Abstand der Porenwände

𝑥′𝑚,𝑥′′𝑚, 𝑥′′′𝑚 1 Massenbruch

C − Federkonstante

n, A, B − Gerätekonstante

T 𝑠 Schwingungszeit

𝑀, 𝑀′ , 𝑀′′ 𝑘𝑔 Masse

𝑉, 𝑉′ , 𝑉′′ 𝑚3 Volumen

𝑣 𝑚3

𝑘𝑔 Spezifisches Volumen

𝜆 𝑚 Mittlere freie Weglänge

𝜌 𝑘𝑔

𝑚3 Dichte

B Behälter

ETOH Ethanol

IPA Isopropanol

LDM Lösungs-Diffusions-Modell

NPA n-Propanol

PAN Polyacrylnitril

POH n-Propanol

PVA Polyvinylalkohol

V Ventil

VLE Vapor- Liquid- Equilibrium

Abbildungsverzeichnis


65


ABB. 1: KLASSIFIZIERUNG VON MEMBRANEN [6, S. 8] ....................................................................................................... 3 ABB. 2: AUFBAU VERSCHIEDENER ASYMMETRISCHER ORGANISCHER MEMBRANEN [7, S. 36] ..................................................... 4 ABB. 3: KOMPOSITMEMBRAN [9, S. 355] ....................................................................................................................... 5 ABB. 4: MODULBAUFORMEN [7, S. 156] ........................................................................................................................ 6 ABB. 5: PRINZIPIELLER AUFBAU EINES WICKELMODULS [7, S. 174] ...................................................................................... 6 ABB. 6: KAPILLARMODUL [7, S. 163] ............................................................................................................................. 7 ABB. 7: ISOTHERMES PV-MODUL (PERVAP SMS) DER FA. SULZER CHEMTECH GMBH FÜR KERAMISCHE SILICA ROHRMEMBRANEN [7,

S. 150] ............................................................................................................................................................ 7 ABB. 8: PLATTENMODUL FÜR PERVAPORATION (SULZER CHEMTECH) [4, S. 517] .................................................................... 8 ABB. 9: ÜBERSICHT MÖGLICHER ANSÄTZE ZUR MODELLIERUNG DES STOFFTRANSPORTES [7, S. 72] .......................................... 10 ABB. 10: LÖSUNGSDIFFUSIONSMODELL FÜR EINE DICHTE POLYMER MEMBRANE [9, S. 287] ................................................... 13 ABB. 11: TRANSPORT MECHANISMEN IN PORÖSE MATERIALEN. [7, S. 97] .......................................................................... 16 ABB. 12: VERSCHALTUNGEN ZUM BRECHEN VON LÖSUNGSMITTEL/WASSER-AZEOTROPEN MITTELS DER DAMPFPERMEATION [9, S.

319] .............................................................................................................................................................. 17 ABB. 13: REAKTIVREKTIFIKATIONSKOLONNE MIT EINEM MEMBRANMODUL IM DESTILLATSTROM [10, S. 146] ............................ 18 ABB. 14: SCHEMA DES MESSPRINZIPS DES DIGITALEN DICHTEMESSGERÄTES [15].................................................................. 19 ABB. 15: PLATTENMODUL ........................................................................................................................................... 20 ABB. 16 DAMPFFLÜSSIGKEITSGLEICHGEWICHT VON ISOPROPANOL-WASSER GEMISCH BEI 1,013 BAR [17, S. 312] ..................... 23 ABB. 17 SIEDEDIAGRAMM VON ISOPROPANOL-WASSER GEMISCH BEI 1,013 BAR [17, S. 312] ............................................... 23 ABB. 18 DAMPFFLÜSSIGKEITSGLEICHGEWICHT VON N-PROPANOL-WASSER GEMISCH BEI 1,013 BAR (MESSWERTEN AUS [17, S.

289]) ............................................................................................................................................................ 24 ABB. 19 SIEDEDIAGRAMM VON N-PROPANOL-WASSER GEMISCH BEI 1,013 BAR (MESSWERTEN AUS [17, S. 289]) ................... 24 ABB. 20 DAMPFFLÜSSIGKEITSGLEICHGEWICHT VON ETHANOL-WASSER GEMISCH BEI 1,013 BAR (MESSWERTEN AUS [17, S. 153])25 ABB. 21 SIEDEDIAGRAMM VON ETHANOL-WASSER GEMISCH BEI 1,013 BAR (MESSWERTEN AUS [17, S. 153]) ......................... 25 ABB. 22: FLIEßBILD DER DAMPFPERMEATIONSANLAGE...................................................................................................... 27 ABB. 23: DAMPFPERMEATIONSANLAGE ......................................................................................................................... 27 ABB. 24: EINGEBAUTES PLATTENMODUL ........................................................................................................................ 28 ABB. 25: EINBAU DER MEMBRANE IN DAS MODUL .......................................................................................................... 30 ABB. 26: MISCHUNG ZUSAMMENSTELLEN ...................................................................................................................... 31 ABB. 27 VALIDIERUNG VON DER ANALYSEVERFAHREN BEI ETOH-WASSER GEMISCH. (LITERATURWERTEN AUS [16, S. 8-56—8-57])

..................................................................................................................................................................... 33 ABB. 28 VALIDIERUNG VON DER ANALYSEVERFAHREN BEI NPA-WASSER GEMISCH. ( LITERATURWERTEN AUS [16, S. 8-68—8-69])

..................................................................................................................................................................... 33 ABB. 29: DICHTEMESSGERÄT ....................................................................................................................................... 34 ABB. 30: MASSENBILANZ ............................................................................................................................................ 43 ABB. 31: PERMEATFLUSS BEIM KONSTANTEN DRUCK 0,01 BAR........................................................................................... 47 ABB. 32: GEW.% IPA IN RETENTAT .............................................................................................................................. 47 ABB. 33: GEW.% IPA IM PERMEAT .............................................................................................................................. 48 ABB. 34: GEW.% IPA IM RETENTAT IN ABHÄNGIGKEIT VOM DRUCK ................................................................................... 48 ABB. 35: GEW.% IPA IM PERMEAT IN ABHÄNGIGKEIT VOM PERMEATDRUCK........................................................................ 49 ABB. 36: PERMEATFLUSS BEIM IPA-WASSER-GEMISCH IN ABHÄNGIGKEIT VON PERMEATDRUCK .............................................. 49 ABB. 37: GEW.% ETOH IM PERMEAT BEI 0,05 BAR PERMEATDRUCK UND 90 GEW.% ETOH IM FEED ..................................... 50 ABB. 38: PERMEATFLUSS BEI 0,05BAR PERMEATDRUCK UND 90 GEW.% ETOH IM FEED ....................................................... 50 ABB. 39: PERMEATFLUSS BEI 90 GEW.-% ETOH IM FEED ................................................................................................ 50 ABB. 40: GEW.% ETOH IM PERMEAT BEI 90 GEW.-% ETOH IM FEED ............................................................................ 50 ABB. 41: PERMEATFLUSS BEIM GEMISCH NPA-WASSER IM ABHÄNGIGKEIT VON FEEDSTROMDICHTE ........................................ 51 ABB. 42: GEW.-% NPA IN RETENTAT BEIM GEMISCH NPA-WASSER IM ABHÄNGIGKEIT VON DER FEEDSTROMDICHTE ................. 51 ABB. 43: GEW.% NPA IN PERMEAT IM ABHÄNGIGKEIT VON DER FEEDSTROMDICHTE. ............................................................ 52 ABB. 44: GEW.% NPA IM RETENTAT BEI KONSTANTEM FEEDSTROM ................................................................................... 52 ABB. 45: PERMEATFLUSS "NPA"-WASSER GEMISCH BEI KONSTANTEM FEEDSTROM .............................................................. 53 ABB. 46: PERMEAT ZUSAMMENSETZUNG BEI KONSTANTEM FEEDSTROM .............................................................................. 53 ABB. 47: SIEDESTEINCHEN IM VORLAGEBEHÄLTER B1 ....................................................................................................... 56 ABB. 48: TROPFENBILDUNG AN DER PERMEATLEITUNG ..................................................................................................... 58



66

ABB. 49: VEREISUNG DES PERMEATS IM KONDENSATOR W1 ............................................................................................. 59

Tabellenverzeichnis


67

Tabellenverzeichnis

TABELLE 1: AZEOTROPE GEMISCH MIT WASSER. (AUS [16] UND VERÄNDERT.) ...................................................................... 21 TABELLE 2: AZEOTROPE GEMISCH MIT WASSER. (AUS [16] UND VERÄNDERT.) ...................................................................... 22 TABELLE 3: STOFFWERTEN .......................................................................................................................................... 26 TABELLE 4: MESSWERTE FÜR DAS GEMISCH IPA-WASSER (PERVAP 2200) ......................................................................... 35 TABELLE 5: MESSWERTE FÜR DAS GEMISCH ETOH-WASSER (PERVAP 2200) ..................................................................... 36 TABELLE 6: MESSWERTE FÜR DAS GEMISCH NPA-WASSER (PERVAP 2201) ....................................................................... 38 TABELLE 7: AUSWERTUNGSTABELLE IPA-WASSER-GEMISCH (PERVAP 2200) ..................................................................... 44 TABELLE 8: AUSWERTUNGSTABELLE WASSER-ETOH-GEMISCH (PERVAP 2200) ................................................................. 45 TABELLE 9: AUSWERTUNGSTABELLE WASSER-NPA-GEMISCH (PERVAP 2201) .................................................................... 46 TABELLE 10: MASSENBILANZ IPA-WASSER ..................................................................................................................... 70 TABELLE 11: MASSENBILANZ NPA-WASSER ................................................................................................................... 71 TABELLE 12: MASSENBILANZ ETOH-WASSER ................................................................................................................. 72

Literaturverzeichnis


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[18] Dr.Arnold Willmes: Taschenbuch Chemische Substanzen. 2., vollständig über-

arbeitete und erweiterte Auflage. Harri-Deutsch-Verlag

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Biegeschwinger.svg&filetimestamp=20090703083517

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Biegeschwinger.svg&filetimestamp=20090703083517

Anhang


70

Anhang: Massenbilanz zur Validierung der Messwerten

Vergleich der gemessenen Feedzusammensetzung am Anfang mit dem Wert aus der Bilanz

nach Gl. 25

Tabelle 10: Massenbilanz IPA-Wasser

Versuchsreihe XF,IPA XF,IPA,

Gemessen Berechnet

Gew.% Gew.%

1 88,28

88,23

88,35

88,39

88,39

88,80

88,81

2 88,5 89,19

89,39

3 88,24

88,27

88,68

88,83

88,81

89,07

4 88,2

88,27

88,26

88,30

88,10

5 86

86,50

86,48

86,02

86,91

86,36

86,44

86,56

86,61

86,29

86,79

86,78

6 86

86,39

86,14

86,40

7 86,1 87,39

87,56

8 86,1

86,25

86,19

86,27

86,14

86,16

Anhang


71

Tabelle 11: Massenbilanz NPA-Wasser

Versuchsreihe XF,NPA XF,NPA

Gemessen Berechnet

Gew.% Gew.%

1 74,71

75,09

75,16

75,71

75,33

75,57

2 74,71 75,32

74,80

3 74,83

75,42

75,57

74,85

74,96

74,82

75,47

4 71,7

72,06

71,71

72,00

71,71

71,87

71,24

71,87

71,29

72,05

72,05

71,65

71,82

72,02

71,92

72,23

72,06

5 71,81

71,49

71,88

72,41

72,23

71,87

71,94

6 71,72

72,22

72,08

72,12

7 71,72 72,20

72,09

Anhang


72

Tabelle 12: Massenbilanz ETOH-Wasser

Versuchsreihe XF,ETOH XF,ETOH,berechnet

Gemessen Berechnet

Gew.% Gew.%

1 95,63 97,88

2

91,50 93,83

91,50 93,35

91,50 93,45

3 91,70 92,75

4 91,60 92,67

5 91,60 91,91

91,60 91,89

Documents

Charakterisierung Dampfpermeation