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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
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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
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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
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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
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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
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6
Abb. 4: Modulbauformen [7, S. 156]
Die wichtigsten davon sind:
- Spiralwickelmodul
Abb. 5: Prinzipieller Aufbau eines Wickelmoduls [7, S. 174]
2. Grundlagen
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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
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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
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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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
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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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
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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
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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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
20
3. Experimenteller Teil
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
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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].
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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)
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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)
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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)
3. Experimenteller Teil
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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.
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
3. Experimenteller Teil
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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
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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.
3. Experimenteller Teil
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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.
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
3. Experimenteller Teil
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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.
3. Experimenteller Teil
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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
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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.
3. Experimenteller Teil
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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
3. Experimenteller Teil
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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.
Die Zulaufgeschwindigkeit: Dies wird indirekt durch die Temperatur des
Heizaggregats (Glykol) gesteuert; 105 °C und 115 °C.
Der Permeatdruck durch Ventilsteuerung auf: 0,01 bar und 0,05 bar
Folgende Messwerte werden aufgenommen:
Dichte und Volumenstrom des Retentats: Gleiche Vorgehensweise wie beim
Gemisch IPA-Wasser
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. Der Fehler wird auf 2 % geschätzt.
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: 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
Gew.% Gew.% °C °C °C [bar] [bar] [l/h] [l/h] [kg/l] [kg/l]
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
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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.
Die Zulaufgeschwindigkeit: Dies wird indirekt durch die Temperatur des
Heizaggregats (Glykol) gesteuert; 110 °C und 120 °C.
Der Permeatdruck durch Ventilsteuerung auf: 10 mbar, 50 mbar, 100 mbar,
150 mbar, 200 mbar, 300 mbar und 350 mbar.
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. Allerdings wird die 10 ml Permeat im Behälter B3 gemessen.
Temperaturen der Flüssigkeit im Vorlagebehälter B1 und des Retentats nach
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.
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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
Gew.% Gew.% °C °C °C [bar] [bar] [l/h] [l/h] [kg/l] [kg/l]
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
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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
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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)
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Gesamt Massenbilanz:
𝐹 = 𝑅 + 𝑃 = 0,7079𝑘𝑔
𝐹𝑒𝑒𝑑𝑠𝑡𝑟𝑜𝑚𝑑𝑖𝑐𝑡𝑒 =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
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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)
3. Experimenteller Teil
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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
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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
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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.
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Feedstromdichte [kg/m²h]
Gew.% IPA in Retentatbei 0,01 bar Permeatdruck
88,2 Gew. IPA im Feed
86 Gew. IPA im Feed
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Feedstromdichte [kg/m²h]
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.%
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
50
2,702,752,802,852,902,953,003,05
0 20 40 60 80
Ge
w.%
ETO
H in
Pe
rme
at
Feedstromdichte [kg/m²h]
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)]
Feedstromdichte [kg/m²h]
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
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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)
Feedstromdichte [kg/m²h]
Permeatfluss
Permeatdruck 0,1 bar 71,7 Gew.% NPA in Feed
Permeatdruck 0,2 bar 71,7 Gew.% NPA in Feed
Permeatdruck 0,05 bar 74,71 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
Feedstromdichte [kg/m²h]
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
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Feedstromdichte [kg/m²h]
Gew.% NPA in Permeat
Permeatdruck 0,2 bar 71,7 Gew.% NPA in Feed
Permeatdruck 0,1 bar 71,7 Gew.% NPA in Feed
Permeatdruck 0,05 bar 74,71 Gew.% NPA in Feed
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%
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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-
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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.
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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.
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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.
3. Experimenteller Teil
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
59
Abb. 49: Vereisung des Permeats im Kondensator W1
Hier ist Eis drin
3. Experimenteller Teil
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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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
61
4. Zusammenfassung und Ausblick
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-
4. Zusammenfassung und Ausblick
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
65
Abbildungsverzeichnis
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
Abbildungsverzeichnis
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66
ABB. 49: VEREISUNG DES PERMEATS IM KONDENSATOR W1 ............................................................................................. 59
Tabellenverzeichnis
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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[14] M. Weyd, H. Richter, J.-Th. Kühnert, I. Voigt, E. Tusel und H. Brüschke: Ef-
fiziente Entwässerung von Ethanol durch Zeolithmembranen in Vierkanalgeo-
metrie. - In: Chemie Ingenieur Technik, Vol. 82, No. 8, 2010, S. 1257–1260
DOI: 10.1002/cite.201000092
[15] Wikipedia: Biegeschwinger des Dichtemessgerätes mit schwingendem U-Rohr
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Biegeschwinger.svg&filetime
stamp=20090703083517 (Zugriff: 20.10.2011)
[16] Editor-in-Chief David R. Lide: CRC Handbook of Chemistry and Physics
(CDROM version 2006)
[17] Aus J Gmehlin, U. Onken: Vapor-Liquid Equilibrium DATA Collection,
Aqueous-Organic Systems DECHEMA Vol. 1 Part 1
[18] Dr.Arnold Willmes: Taschenbuch Chemische Substanzen. 2., vollständig über-
arbeitete und erweiterte Auflage. Harri-Deutsch-Verlag
Anhang
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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
Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik
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