• Vortragsprogramm Donnerstag, 26. März 2015 Gemeinsame Plenarveranstaltung 08:50 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 Begrüßung durch die Vorsitzenden Integrierter Prozess aus Reaktivrektifikation und organophiler Nanofiltration zur Produktion von Biodiesel K. Werth, K. Neumann, M. Skiborowski, A. Górak, TU Dortmund/D Highly selective membranes for blood purification B. Krause, A. Boschetti-de-Fierro, S. Dutczak, C. Zweigart, Gambro Dialysatoren GmbH, Hechingen/D Entwicklung wandlungsfähiger Trennapparate für produkt- und kapazitätsflexible Produktion S. Paul, G. Cvetanoska, S. Müller, J. Riese, S. Lier, M. Grünewald, Ruhr-Universität Bochum/D Kaffeepause Membrane and absorption processes for an efficient CO 2 separation C. Grüner, Evonik Industries AG, Hanau/D; A. Kobus, G. Baumgarten, Evonik Industries AG, Marl/D; R. Steglich, Evonik Industries AG, Essen/D; J. Rolker, Evonik Industries AG, Hanau/D; J. Balster, Evonik Fibres GmbH, Schörfling/A Free form fabrication of membrane devices M. Wessling, RWTH Aachen/D Mittagspause und Posterausstellung Membrantechnik 13:00 13:30 14:00 14:30 Fluidverfahrenstechnik Posterkurzvorträge (3 Min. je Poster) Posterkurzvorträge (3 Min. je Poster) Solvent-free production of electrically Bestimmung von CO 2 -Gaslöslichkeiten conductive polyetherimide membranes in physikalischen und chemischen C. Otto, U.A. Handge, Helmholtz-Zentrum Waschmitteln mit Hilfe einer Phasengleichgewichtsapparatur Geesthacht/D; O. Aschenbrenner, FutureCarbon GmbH, Bayreuth/D; F. Höhler, R. Deschermeier, S. Rehfeldt, V. Abetz, Helmholtz-Zentrum Geesthacht H. Klein, TU München, Garching/D und Universität Hamburg/D Methodenentwicklung zur Herstellung Enzymaktivierte Lösungsmittel für die von Membranen mit spezifischen Reaktivabsorption von CO 2 : Strategien Strukturen und Eigenschaften für ein Einsatz in Absorptionskolonnen M. Metze, G. Nino-Amezquita, A. Bluma, A.-K. Kunze, A. Górak, P. Lutze, A. Reiche, Sartorius-Stedim Biotech TU Dortmund/D GmbH, Göttingen/D Transferring membrane polymer Experimentelle Untersuchung eines properties into separation process neuen vielversprechenden performance Lösungsmittels für die CO 2 Abscheidung C. Schnitzer, Evonik MET Ltd., Greenford/UK; A. Kobus, G. Baumgarten, N. Hüser, T. Schuhmacher, E.Y. Kenig, Evonik Industries AG, Marl/D; T. Visser, Universität Paderborn/D J. Balster, Evonik Fibres GmbH, Schörfling/A Vortragsprogramm Donnerstag, 26. März 2015 15:00 15:30 16:00 Membrantechnik Fluidverfahrenstechnik Untersuchung des Einflusses der Modulgeometrie auf die Trennleistung der Ultrafiltration H. Thiess, S. Zobel, TU Clausthal/D; U. Grummert, M. Leuthold, Sartorius Stedim Biotech GmbH, Göttingen/D; J. Strube, TU Clausthal/D Kaffeepause und Posterausstellung Enhancement of ultrafiltration membrane properties by blend modifications with ZnO nanoparticles T. van den Berg, M. Ulbricht, Universität Duisburg-Essen/D Design optimization through data reconciliation on the Rectisol process L. Chaubet, G. Aras, H. Schlichting, Air Liquide Forschung & Entwicklung GmbH, Frankfurt am Main/D; S. Schmidt, M.-M. Weiß, Air Liquide Global E&C Solutions GmbH, Frankfurt am Main/D Untersuchung fluiddynamischer Parameter in Packungskolonnen durch Verwendung von Röntgencomputertomographie S. Schug, W. Arlt, Universität ErlangenNürnberg/D Untersuchung des Filtrationsverhalten Experimentelle Untersuchung der 16:30 von w/o Pickering Emulsionen für Flüssigkeitsmaldistribution in Flüssig-Flüssig Reaktionen Füllkörperkolonnen mit T. Skale, Hochschule für Wirtschaft und unterschiedlichen Durchmessern Technik Berlin/D; D. Stehl, R. v. Klitzing, F. Hanus, TU München, Garching/D; M. Kraume, TU Berlin/D; A. Drews, R. Hoffmann, Linde AG, Pullach/D; Hochschule für Wirtschaft und Technik S. Rehfeldt, H. Klein, TU München, Berlin/D Garching/D Energetische Untersuchung zur Untersuchungen zur 17:00 Partikelfiltration mit getauchten Flüssigkeitsverteilung in Niederdruck-Spiralwickel-Elementen Packungskolonne mithilfe von Zellenmodellen P. Steinle, O. Sturm, G. Braun, Fachhochschule Köln/D; S. Ripperger, F. van Holt, G. Zheng, M. Grünewald, TU Kaiserslautern/D Ruhr-Universität Bochum/D Untersuchungen zur Einfluss des Neigungswinkels 17:30 Entmonomerisierung wässriger strukturierter Packungen auf das Polymerlösungen mithilfe der Strömungsverhalten: Bewertung Ultrafiltration basierend auf tomographischen Untersuchungen G. Cvetanoska, M. Grünewald, RuhrUniversität Bochum/D J. Steube, A. Janzen, Universität Paderborn/D; S. Aferka, M. Crine, P. Marchot, D. Toye, Universität Liège/B; E.Y. Kenig, Universität Paderborn/D 18:00 Ende der Vorträge 17:00 - Beiratssitzung der Fachgruppe Membrantechnik und Fluidverfahrenstechnik 19:00 (parallel) ab 19:30 Geselliger Abend Vortragsprogramm Freitag, 27. März 2015 08:50 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 Membrantechnik Fluidverfahrenstechnik Bericht aus der Beiratssitzung der Fachgruppe Modellierung und experimentelle Analyse der Nanofiltration uranhaltiger Wässer M. Hoyer, R. Haseneder, J.-U. Repke, TU Bergakademie Freiberg/D Energetische Betrachtung einer mehrstufigen VakuumMembrandestillation bei der Aufkonzentrierung von Salzlösungen im Sättigungsbereich Ch. Kleffner, N. Kruse, G. Braun, Fachhochschule Köln/D; S. Heinzl, memsys TEC AG, Grafing/D Eine systematische Untersuchung zur Anwendung der Membrandestillation in der Meerwasserentsalzung A. Hagedorn, G. Fieg, TU HamburgHarburg/D; J. Koschikowski, Fraunhofer ISE, Freiburg/D; T. Mann, MAHLE Industriefiltration GmbH, Hamburg/D Kaffeepause und Posterausstellung Entfernung von Tensiden aus organischen Lösungsmitteln durch organophile Nanofiltration A. Drews, D. Zedel, Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin/D; M. Kraume, TU Berlin/D Analyse des Stofftransports bei einem Membrankontaktorverfahren mit dichter Membran für die Biogasaufbereitung J. Kerber, J.-U. Repke, TU Bergakademie Freiberg/D Dezentrale O 2 -Versorgung mit keramischen HochtemperaturMembranen R. Kriegel, Fraunhofer IKTS, Hermsdorf/D Bericht aus der Beiratssitzung der Fachgruppe Rückblick auf 40 Jahre Entwicklung von Gitterfüllkörpern J. Maćkowiak, ENVIMAC Engineering, Oberhausen/D Mittagessen Modifizierung des Billet und SchultesModells zur hydraulischen Modellierung von Füllkörpern und Packungen V. Wolf, M. Lehner, Montanuniversität Leoben/A; K. Hoffmann, RVT Process Equipment GmbH, Steinwiesen/D Biokatalytische Reaktivrektifikation: Insitu Beschichtung von strukturierten Packungen mit biokatalytischen Überzügen R. Heils, S. Kühn, A. Liese, I. Smirnova, TU Hamburg-Harburg/D Systematische Herleitung von Anwendungsbereichen für reaktive Trennwandkolonnen M. Schröder, C. Ehlers, G. Fieg, TU Hamburg-Harburg/D A new application of dividing-wall columns for the separation of middleboiling impurities L. Cameretti, D. Demicoli, R. Meier, Evonik Industries AG, Marl/D Einsatz von Trennwandkolonnen zur Effizienzsteigerung bestehender industrieller Prozesse H.-M. Lorenz, TU Bergakademie Freiberg/D; D. Staak, Lonza Ltd., Visp/CH; J.-U. Repke, TU Bergakademie Freiberg/D Vortragsprogramm Freitag, 27. März 2015 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 Membrantechnik Fluidverfahrenstechnik Einsatz von Membranverfahren zur Gasseparation für sich ändernde Rohstoff- und Energieversorgungsszenarien T. Brinkmann, M. Grätz, J. Lillepärg, H. Mushardt, S. Shishatskiy, HelmholtzZentrum Geesthacht/D Ein neues Flachmembranmodulkonzept für die Gasseparation T. Brinkmann, J. Wind, H. Notzke, T. Wolff, Helmholtz-Zentrum Geesthacht/D; S. Luhr, L. Zhao, Forschungszentrum Jülich GmbH/D Charakterisierung des Stofftransportes bei der Hochdrucktrennung von Gasgemischen mit Kohlenstoffmembranen N. Kruse, Y. Schießer, Fachhochschule Köln/D; S. Kämnitz, H. Richter, I. Voigt, Fraunhofer IKTS, Hermsdorf/D; G. Braun, Fachhochschule Köln/D; J.U. Repke, TU Bergakademie Freiberg/D Molecular sieve membranes made from MOFs: Lab curiosity or bright industrial future? J. Caro, Leibniz Universität Hannover/D Windinduzierte Querschwingungen an Kolonnen M. Weber, INEOS Phenol GmbH, Gladbeck/D Ende der Vorträge Zum zyklischen Betrieb von Rektifikationskolonnen C. Knösche, J. Paschold, S. Bütehorn, A. Shilkin, BASF SE, Ludwigshafen/D Erfassung von Entrainment in ColdFlow Versuchen mittels optischer Messtechnik M. Lichti, H.-J. Bart, TU Kaiserslautern/D Gittersensorbasierte Visualisierung von Verweilzeit- und Geschwindigkeitsverteilungen auf einem Siebboden M. Schubert, M. Piechotta, M. Beyer, Helmholtz-Zentrum DresdenRossendorf/D; U. Hampel, HelmholtzZentrum Dresden-Rossendorf und TU Dresden/D Posterprogramm Membrantechnik P1 Kinetische Untersuchungen zur Reaktivextraktion im membrangestützten Mikrokontaktor S. Willersinn, H.-J. Bart, TU Kaiserslautern/D P2 Dispersionsfreie Zweiphasenströmung der Flüssig/Flüssig-Extraktion im Mikrokanal S. Willersinn, H.-J. Bart, TU Kaiserslautern/D P3 Untersuchungen zur pH-abhängigen Abtrennung von Indium und Germanium aus wässrigen Lösungen mit NF-Membranen A. Werner, R. Haseneder, J.-U. Repke, TU Bergakademie Freiberg/D P4 Modellierung von stofftransportlimitierten Reaktionen im mit Mehrphasenströmung betriebenen Strahlzonen-Schlaufenreaktor S. Heithoff, N. Räbiger, Universität Bremen/D P5 Charakterisierung virus-rückhaltender Membranen mittels Filtration von Goldnanopartikeln und flüssig-flüssig Porometrie P. Kosiol, B. Hansmann, V. Thom, Sartorius Stedim Biotech GmbH, Göttingen/D; M. Ulbricht, Universität Duisburg-Essen/D P6 Einfluss der Polymer-Nanoschichtarchitektur auf die Bindung von Modellproteinen an Ionentauscher-Membranadsorber J. Schwellenbach, S. Björn, F. Taft, L. Villain, Sartorius Stedim Biotech GmbH, Göttingen/D; J. Strube, TU Clausthal/D P7 Membranprozesse für die H2-Rückgewinnung aus fossil befeuerten Kraftwerken und artverwandten Verfahren M. Grätz, S. Shishatskiy, T. Brinkmann, Helmholtz-Zentrum Geesthacht/D P8 Effects of process parameters on Mycoplasma retention during membrane filtration A. Helling, Slovak University of Technology/SK, Sartorius Stedim Biotech GmbH, Göttingen/D; M. Polakovič, Slovak University of Technology; V. Thom, Sartorius Stedim Biotech GmbH, Göttingen/D P9 Erste Praxiserfahrungen mit der organophilen Nanofiltration im Applikationszentrum Membrantechnik des Fraunhofer IKTS C. Pflieger, Fraunhofer IKTS, Schmalkalden/D P 10 Preparation of PEO-b-PMMA diblock copolymers as additive for PVDF ultrafiltration membranes J. Meyer, M. Ulbricht, Universität Duisburg-Essen/D P 11 Preparation of ultrafiltration membranes with diblock copolymer additives for low-fouling properties M. Li, M. Ulbricht, Universität Duisburg-Essen Posterprogramm Fluidverfahrenstechnik P 12 Untersuchungen zum Holdup von Anstaupackungen S. Flechsig, Ö. Yildirim, E.Y. Kenig, Universität Paderborn/D P 13 Efficient liquid-liquid extraction by a milli-device based on hydrophobic membranes T. Wellsandt, B. Stanisch, J. Strube, TU Clausthal/D P 14 Experimentelle Untersuchungen zur Charakterisierung von rotierenden Stoffaustauschmaschinen K. Neumann, M. Grimm, P. Lutze, TU Dortmund/D P 15 Vorhersage von binären Fickschen Diffusionskoeffizienten in Flüssigkeiten mit COSMO-RS S. Rehfeldt, T. Sachsenhauser, S. Schreiber, H. Klein, TU München, Garching/D P 16 Einfluss von Biofouling auf Strömung und Wärmeübergang in wasserführenden Systemen S. Pohl, H.-J. Bart, TU Kaiserslautern/D; W. Manz, M. Madzgalla, Universität Koblenz-Landau/D P 17 Wärmeübertragung und Fluiddynamik in Thermoblech-Kondensatoren: Modellierung basierend auf experimentellen Untersuchungen J.M. Tran, M. Piper, E.Y. Kenig, Universität Paderborn/D P 18 Separation of partially hydrogenated LOHC mixtures R. Aslam, K. Müller, K. Stark, W. Arlt, Universität Erlangen-Nürnberg/D Vorträge Integrierter Prozess aus Reaktivrektifikation und organophiler Nanofiltration zur Produktion von Biodiesel – Experimentelle Untersuchung und Modellierung Kathrin Werth, Kolja Neumann, Mirko Skiborowski, Andrzej Górak TU Dortmund, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Dortmund, Deutschland Die Produktion von Biodiesel ist aufgrund hoher Rohstoffkosten für die eingesetzten raffinierten Pflanzenöle bisher unwirtschaftlich. Eine Verarbeitung minderwertiger Öle, wie zum Beispiel Altspeiseöle, stellt eine vielversprechende Möglichkeit zur Kostensenkung dar, welche den produzierten Biodiesel zudem zu einem Biokraftstoff der 2. Generation aufwertet. Ein Nachteil dieser minderwertigen Öle ist allerdings der hohe Anteil an freien Fettsäuren, bei denen es bei der basisch katalysierten Umesterungsreaktion von Öl mit einem Alkohol zu Biodiesel zu einer Verseifung mit dem Katalysator kommt. Um diese unerwünschte Nebenreaktion zu vermeiden, ist der Fettsäureanteil im Öl zu minimieren. Eine Möglichkeit ist die Veresterung der freien Fettsäuren, für welche sich auf Grund einer Gelichgewichtslimitierung die Umsetzung in einer Reaktivrektifikationskolonne anbietet. Durch den hohen Anteil an Triglycerid im Altspeiseöl können jedoch Stofftransportlimitierungen auftreten, welche das Betriebsfenster der Reaktivrektifikation einschränken. Außerdem schwankt die Zusammensetzung der Altspeiseöle. Um diese Herausforderungen zu überwinden und das Betriebsfenster der Reaktivrektifikation zu erweitern, wird ein integrierter Prozess vorgestellt, der Reaktivrektifikation und organophile Nanofiltration (oNF) kombiniert. Mittels oNF ist eine energieeffiziente Abtrennung der freien Fettsäuren aus dem Altspeiseöl möglich, welche zudem bei hoher Selektivität eine Weiterverwendung der Fettsäuren zu neuen Wertprodukten ermöglichen kann. Um eine Bewertung dieses integrierten Prozesses zu ermöglichen, wurden beide Verfahren zunächst experimentell untersucht. Neben einem Membranscreening wurde der Einfluss verschiedener Lösungsmittel auf die Selektivität der Trennung mittels oNF untersucht. In Reaktivrektifikationsexperimenten wurde die Umsetzung von freien Fettsäuren mit Alkoholen realisiert und geeignete Betriebsbedingungen bestimmt. Schlussendlich wurde ein anhand der experimentellen Daten validiertes Modell des integrierten Prozesses in der Simulationsumgebung Aspen Custom Modeller entwickelt und zur Prozessanalyse des integrierten Prozesses genutzt. Highly Selective Membranes for Blood Purification Bernd Krause, Adriana Boschetti-de-Fierro, Szymon Dutczak, Carina Zweigart, Gambro Dialysatoren GmbH, Hechingen/Germany Renal replacement therapies (RRT) based on blood purification membranes currently cannot mimic the well-defined size exclusion filtration performed by the natural kidney. One of the restrictions relay in the limited selectivity achieved during membrane production by the phase inversion technic. During phase inversion production, stable and reproducible membranes are produced, however at the cost of an inherent pore size distribution. The importance of a narrow pore size distribution has increased hand in hand with clinical evidence that leads to infer the removal of large uremic toxins would be beneficial for patients in RRT. Assisted phase inversion Additives are widely used in membrane production through phase inversion process as pore formers and surface modification agents. Blood purification membranes are commonly manufactured with poly(vinyl pyrrolidone). The polymer assists the pore formation during the phase inversion process and renders the hydrophilicity required during the application. Additionally, further additives such as swellable substances can be used in order to generate pores with a narrow distribution. As examples of suitable biocompatible swellable substances polybetaines, hyaluronic acid or phosphorylcholines will be shown. The incorporation of these substances within the polymeric membrane structure improves the membrane permeability through a swollen network and contributes with a more uniform pore formation, as shown by increased water permeability, improved sieving coefficient for myoglobin and/or lower sieving coefficient for albumin. Tailored hollow fiber technology Manufacturing blood purification membranes comprises the membrane phase inversion process as well as the spinning, washing and drying procedures. The tailored hollow fiber technology allows us to control manufacturing as required to deliver highly selective blood purification membranes. We will show the progress made in membrane technology allowing narrower pore size distribution, expanding the range of solutes removed from the blood stream and mimicking the filtration profile of the natural kidney. Entwicklung wandlungsfähiger Trennapparate für produkt- und kapazitätsflexible Produktion Sarah Paul, Gordana Cvetanoska, Stephan Müller, Julia Riese, Stefan Lier, Marcus Grünewald, Ruhr-Universität Bochum, Bochum/Deutschland Wandlungsfähigkeit als Anforderung an Apparate und Prozesse ist anders als zum Beispiel in der Produktionstechnik erst in den letzten Jahren in das Bewusstsein der stoffumwandelnden Industrie getreten. Eine wesentliche Rolle spielen dabei zum einen die sich verändernden Randbedingungen bei den zur Verfügung stehenden Rohstoff- und Energieströme, zum anderen die immer größeren Schwankungen der Kundennachfragen in Bezug auf Zeit und Ort. Begriffe wie Diversifizierung der Märkte, wandelnde Rohstoffbasis und fluktuierende regenerative Energien sind nur wenige Stichworte, die den sich ankündigen Wandel beschreiben. Die Antworten auf diese Entwicklungen führen zwangsläufig zu der Notwendigkeit einer Flexibilisierung der Produktion. Öffentliche Forschungsprojekte wie F3 Factory, Copiride, Polycat, EnPro und ModuLOG, an denen die Ruhr-Universität als Partner teilnimmt bzw. teilgenommen hat, aber auch firmenspezifische Projekte und Initiativen wie Invite sind Ausdruck dieser Bedarfssituation. Insgesamt konnte damit bisher an einzelnen Beispielen eindrucksvoll gezeigt werden, dass sich auch chemische Produktionsanlagen unter den Gesichtspunkten einer flexiblen und modularen Produktionsstrategie erfolgreich planen und betreiben lassen. Vor diesem Hintergrund stellt sich der Stand der Forschung auf dem Feld der wandlungsfähigen Trennapparate deutlich zweigeteilt dar. Auf der einen Seite existieren seit Jahrzehnten eine Vielzahl etablierter, flexibler, zum Teil modular aufgebauter Apparatekonzepte wie zum Beispiel Plattenwärmetauscher, Membranverfahren und Filtriersysteme. Die Vorteile der modularen Bauart sind dabei in der Regel eine erhöhte Flexibilität hinsichtlich Kapazität und Produktvielfalt sowie örtlicher Verlagerbarkeit. Auf der anderen Seite stellen Grundoperationen, bei der zwei fluide Phasen direkt in Kontakt stehen, also Extraktion, Destillation und Absorption, immer noch eine große Herausforderung dar. Zwar existieren (auch eigene) Lösungsansätze in der Literatur, die eine Abkehr von der auf unterschiedlichen Dichten basierenden Phasentrennung beruhen, wie zum Beispiel membrangestützte Kontaktoren und der Einsatz hydrophob/hydrophil benetzender Oberflächenkontaktoren, allerdings hat eine Analyse dieser Lösungsansätze nur eingeschränkt Vorteile gegenüber dem Einsatz konventioneller Apparatetypen wie zum Beispiel Kolonnen ergeben. Eigene Lösungsansätze beschäftigen sich stattdessen mit der Modifizierung etablierter konventioneller Trennapparate hinzu einem modularen Aufbau. In diesem Beitrag wird ein Überblick über flexible und modulare Apparatekonzepte gegeben. Eigene Forschungsarbeiten der Arbeitsgruppe werden vorgestellt. Membrane and Absorption Processes for an Efficient CO2 Separation Dr. Christof Grüner1, Dr. Axel Kobus1, Dr. Götz Baumgarten1, Rick Steglich1, Dr. Jörn Rolker1, Dr. Jörg Balster2, 1Evonik Industries AG, 2Evonik Fibres GmbH The removal of acid gases is a well-known unit operation in the natural gas, synthesis gas and biogas industries. Different approaches have been developed to provide the proper solution for an efficient separation of CO2. Among those, the absorption and the membrane processes show two key separation technologies with the promise of significantly reduced costs. For the absorption technology a number of absorbents and processes that were developed in past fifty years are industry standard now. The most dominating absorbents in such processes are amine-based, which is due to the fact that amines offer a great deal of benefits (such as deep removal of acid gases) over other type of absorbents. However, amine-based absorbents and processes still suffer from numerous short-comings such as energy intensive absorbent regeneration, limit acid gas solubility, thermal and chemical stability, volatility, corrosiveness, and foaming. To overcome such limitations, the next generation of amine-based absorbents has to be developed that not only offer the conventional benefits of amine-based processes, but significantly reduce its short-comings. Membrane based gas separation is an efficient alternative for the upgrading of acid gases because in many cases the product, i.e. biomethane, rises on the highpressure side and the membrane has to be passed by the lower CO2 fraction only. Membrane based separation processes are easily scalable to smaller and bigger sizes, can be started and stopped within minutes and do not need any auxiliaries such as amines or water or regeneration. In this presentation we will show the development and implementation of a new multistage membrane process containing highly selective SEPURAN® membranes and its future potential. Furthermore, for the absorption process we will present methodologies to investigate different issues such as acid gas solubility, thermal stability, corrosion and foaming followed by their respective results for Evonik’s absorbent. Moreover, some pilot test results comparing the performance of Evonik's Absorbent with some industry standard amines will be presented. Solvent-Free Production of Electrically Conductive Polyetherimide Membranes Christian Otto1, Ulrich A. Handge1, Ortrud Aschenbrenner2, Volker Abetz1,3 1 Institute of Polymer Research, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Max-Planck-Straße 1, 21502 Geesthacht, Germany 2 3 FutureCarbon GmbH, Gottlieb-Keim-Straße 60, 95448 Bayreuth, Germany Institute of Physical Chemistry, University of Hamburg, Grindelallee 117, 20146 Hamburg, Germany Electrically conductive membranes for filtration applications offer several interesting possibilities. Of very high interest is their ability to combat membrane fouling, which is a major problem in pressure driven filtration processes. For example, the deposition of electrically charged particles through electrophoresis and electro-osmosis can be hindered, the growth of microorganisms can be reduced with electric fields and selfcleaning through gas production in the electrolysis of water can be performed. Because of their high aspect ratio, carbon nanotubes are promising fillers to increase the electrical conductivity in polymer membranes. A noticeable concern of membrane production is that many processes involve solvents that are hazardous to the environment. In this study, a solvent-free sintering process was applied to sinter porous membranes using polyetherimide (PEI) powder particles (Ultem® 1000P) with particle surfaces covered by pristine multi-walled carbon nanotubes. Polyetherimide has a high chemical, mechanical and thermal resistance and is successfully used in different membrane production processes. The covering of the powder particles was performed using a purely mechanical procedure. Sintering is a low-stress process that does not alter the high aspect ratio of MWCNT and minimizes their displacement during processing. Scanning electron micrographs reveal that the MWCNT formed a network structure inside the composite. The membranes show very high water fluxes between 1800 and 4900 l/(h m2) and furthermore, a specific conductivity of up to 2.5 S/m was attained with 3.0 wt% of pristine MWCNT. Additionally, the presence of the MWCNT on the polymer particle surfaces changed the sintering behaviour of PEI. Decorated particles showed a decreased tendency to fuse completely, leaving open pores between adjacent particles for longer sintering times. Methodenentwicklung zur Herstellung von Membranen mit spezifischen Strukturen und Eigenschaften M. Metze, Sartorius-Stedim-Biotech GmbH, Göttingen, Deutschland G. Nino-Amezquita, Sartorius-Stedim-Biotech GmbH, Göttingen, Deutschland A. Bluma, Sartorius-Stedim-Biotech GmbH, Göttingen, Deutschland A. Reiche, Sartorius-Stedim-Biotech GmbH, Göttingen, Deutschland Poröse Polymermembranen auf Basis von Cellulosederivaten werden industriell häufig durch das Verdunstungsverfahren hergestellt. Dabei durchläuft ein Gießlösungsfilm eine Phasenseparation, die durch kontrollierte Verdunstung der Lösungsmittel ausgelöst wird und bei weiterer Trocknung zur Bildung poröser Strukturen führt. Das Verfahren wird großtechnisch zur Herstellung von Cellulosederivatmembranen mit Porengrößen im Bereich von 0,1 – 10 Pm eingesetzt, welche z. B. Grundlage von Filterprodukten und diagnostischen Produkten für die Biotechnologie sind. Die dabei gebildete Struktur ist abhängig von der Zusammensetzung bei der die Entmischung stattfindet sowie von Stoff- und Energieeintrag in den Gießlösungsfilm. Die Arbeit stellt eine Methodologie dar, die die Untersuchung der thermodynamischen Eigenschaften eines Gießlösungssystems als Grundlage für die Untersuchung der Membranstrukturbildung verwendet. Dabei wird gezeigt, dass in unterschiedlichen Gießlösungssystemen gleichartige Strukturkategorien auftreten, denen spezifische physikalische Eigenschaften zuzuordnen sind. Diese Eigenschaften liefern vollwertige Information, um die Entwicklung neuer Membranen und deren Applikationen effizienter durchzuführen. Transferring Membrane Polymer Properties into Separation Process Performance Dr. Christian Schnitzer 1); Dr. Tymen Visser 2), Dr. Joerg Balster 2), Dr. Goetz Baumgarten 3); Dr. Axel Kobus 3) 1) Evonik MET, London, UK 2) Evonik Fibres GmbH, Schörfling, Austria 3) Evonik Industries AG, Marl, Germany Abstract In membrane separation processes value for the customer is often directly linked to separation performance of the functional unit, the membrane module. Naturally, the key component of the membrane module is the membrane material itself. For polymeric membranes this will usually be either in form of flat sheets or hollow fibers. While module concepts and membrane types can be different, obtaining good separation performance can be put down to one core task of the membrane: Effectively controlling mass transfer through the separation layer of the membrane. Naturally, the intrinsic properties of the polymers used for membranes have a huge impact on mass transfer through a membrane. As these properties are subject to change during the production process, a manufacturer of membranes has to have both, a deep understanding about membrane manufacturing phenomena and full control of the process of membrane formation. Only within these constraints it will be possible to come up with a good and reliable membrane product. For specialty membranes all of the above is mandatory because the process conditions and feedstocks where such membranes are applied could be very diverse. A good membrane has to keep its separation performance even under real process conditions. This can often be obtained by application, optimization and even customization of polymeric materials on a molecular level (s. figure). The lecture will explain the transfer of polymer properties into separation performance based on two application examples: a) Purification of methane from raw biogas with Polyimide based Hollow fibre membranes and b) Recovery of valuable solutes from organic solvents with customized Thin film composite Spiral wound membranes. While both applications are different, the problem which needs to be solved is the same: Create and translate membrane material properties into a membrane module which keeps its performance in real systems to achieve a true advantage in separation processes. This is where competencies of a specialty chemicals company like Evonik can contribute to unique membrane solutions for the market. Figure: Levers to influence mass transfer through a silicone based membrane separation layer on a polymer basis Untersuchung des Einflusses der Modulgeometrie auf die Trennleistung der Ultrafiltration 1 Holger Thiess, 1Steffen Zobel, 2Ulrich Grummert, 2Martin Leuthold, 1Jochen Strube 1 Institut für Thermische Verfahrens- und Prozesstechnik, TU Clausthal 2 Sartorius Stedim Biotech GmbH Die Ultrafiltration ist ein anerkanntes Verfahren zur Aufkonzentrierung oder Diafiltration von Proteinen in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie. Der Trennmechanismus beruht dabei auf der unterschiedlichen Größe der zu trennenden Komponenten. Bei der Auslegung und / oder Optimierung einer Ultrafiltration sind neben der Druckdifferenz als Triebkraft fluiddynamische und Stofftransportparameter von Bedeutung [1]. Neben der Durchflussgeschwindigkeit hat das Design des Membranmoduls einen signifikanten Einfluss auf den Stofftransport. In dieser Präsentation wird der Einfluss charakteristischer geometrischer Parameter wie der Spacerdicke, der Kanalhöhe und des Anströmwinkels diskutiert. Dazu wurden auf Basis eines statistischen Versuchsplans (Design of Experiments) Experimente im Labormaßstab mit speziell für diese Untersuchung gefertigten Gewebemodulen hinsichtlich Aufkonzentrierung des Proteins und Versuchsdauer durchgeführt und ausgewertet. In einem zweiten Schritt wurden die Versuche in einem Modell nachgestellt. Dazu wurden die Stofftransportbeziehungen um die geometrischen Parameter erweitert. Als Fundament dient dazu das bereits am Institut entwickelte Ultrafiltrationsmodell [2]. Das Ziel der Modellierung ist nach erfolgter Validierung einen sicheren Scale-Up vom Labormaßstab hin zu Pilot- oder Produktionsanlagen zu ermöglichen. Die Ergebnisse aus der Simulation werden abschließend mit den Versuchsergebnissen verglichen. Literatur: [1] Melin, T. et al. (2007), Membranverfahren, Springer, Berlin [2] Fröhlich, H. et al. (2012), Chem. Ing. Tech., 84(6), 905-917 Enhancement of ultrafiltration membrane properties by blend modifications with ZnO nanoparticles T. van den Berg, M. Ulbricht, Lehrstuhl für Technische Chemie II, Universität Duisburg-Essen, 45141, Germany; [email protected] Today nanoparticles are well used in several products and applications, and many more possibilities exist in other areas. While there is an established market of industrially produced ultrafiltration membranes, the interest in improvement of membrane performance is still immense. The integration of nanoparticles in polymeric ultrafiltration membranes is a very promising approach because it is possible to enhance several properties of the membrane. For instance, this approach can yield an increase of the membranes mechanical stability leading to a higher sustainable flux and a reduction in energy consumption for the filtration process. The main problem with this approach and typical membrane polymers is the influence of the hydrophilic, inorganic nanoparticles on the membrane formation in the nonsolvent induced phase separation (NIPS) process. Therefore, just blending nanoparticles into the dope solution for membrane preparation might negatively affect the desired membrane structure and performance. In this work, the solvent affinity of the functional nanoparticles is modulated using a reversible surface modification. This leads to greater similarity between the nanoparticles and the base polymer. Therefore undesired effects of nanoparticles as hydrophilic additive during the NIPS process are reduced and the efficiency of incorporation in the membrane matrix is increased. This offers the possibility to apply nanoparticles as additives in many established dope solution formulations with no or only minor alterations needed. Reversibility of the nanoparticle surface modification under mild conditions enables additional interesting options for post-treatment of the nanohybrid membranes to enhance their functionality. ZnO nanoparticles are used as first prototype and characterized by dynamic light scattering, IR spectroscopy and Hansen Solubility Parameter analysis. The nanoparticles with varied surface modification are used in dope solutions with PVDF as base polymer. Ultrafiltration membranes are prepared using a NIPS process with water as non-solvent. The obtained membranes are characterized by water flux and ultrafiltration of PEG and dextran mixtures to establish correlations between nanoparticles functionality, loading and post-treatment onto membrane structure and separation properties. Untersuchung des Filtrationsverhalten von w/o Pickering Emulsionen für Flüssig-Flüssig Reaktionen T. Skale, J. Cocke, A. Drews, HTW Berlin, Verfahrenstechnik in Life Sci. Eng., Berlin D. Stehl, R. v. Klitzing, TU Berlin, FG Physikalische Chemie, Berlin M. Kraume, TU Berlin, FG Verfahrenstechnik, Berlin Pickering Emulsionen (PE) sind feststoffstabilisierte Emulsionen, welche seit kurzem auch als Reaktionssysteme für Flüssig-Flüssig-Reaktionen untersucht werden [1]. Um den Katalysator, der häufig in der wässrigen Phase vorliegt, zurückzuhalten, wird die Trennung der w/o Emulsion mittels Membranfiltration untersucht. Ob die Filtration von PEs überhaupt möglich ist und welchen Einfluss transmembrane Druckdifferenz und Phasenverhältnis auf die Filtration haben, wurde in diesem Projekt erstmalig untersucht. Für die Versuche werden eine Rührzelle XFUF04701 (Merck Millipore) und eine Fluorpolymermembran ETNA01PP der Firma Alfa Laval verwendet. Die PE besteht aus 1- Dodecen (>94%, Merck Chemicals GmbH), Wasser und Silicapartikeln (20 nm, Wacker) und wird mit einem Ultraschallhomogenisator hergestellt. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die Filtration von PEs möglich ist. Dabei ist der Fluss unabhängig vom Phasenverhältnis der Emulsion. Die untersuchte PE kann bis auf einen Wassergehalt von 70-90% aufkonzentriert werden, bis sie aufbricht. Pressure-stepping Experimente zeigen einen überproportionalen Anstieg des Flusses mit zunehmendem Druck, was im Vergleich zum eher typischen unterproportionalem Verhalten des Flusses bei der Membranfiltration aufgrund diverser Widerstände wie z.B. der Membrankompaktierung, ungewöhnlich ist. Diese Überproportionalität konnte auf die Koaleszenz der Tropfen unter Filtrationsbedingungen und dem daraus entstehenden größeren hydraulischem Durchmesser zurückgeführt werden. Zudem liegen die Flüsse des reinen Lösemittels unterhalb derer der PE. Dieser Effekt und weitere Parameter wie Überströmgeschwindigkeit und Temperatur werden noch untersucht. Diese Arbeiten sind Teil des von der TU Berlin koordinierten SFB/TRR 63 "Integrierte chemische Prozesse in flüssigenMehrphasensystemen". Die Autoren bedanken sich bei der DFG für die finanzielle Unterstützung des Projektes (TRR 63). Wir danken Alfa Laval für die Bereitstellung der Membranen. [1] Wu, C.; Bai, S.; Ansorge-Schumacher, M. B.; Wang, D., Adv. Mat. 2011 Energetische Untersuchung zur Partikelfiltration mit getauchten Niederdruck-Spiralwickel-Elementen P. Steinle, O. Sturm, G. Braun, Fachhochschule Köln, Köln/Deutschland S. Ripperger, TU Kaiserslautern, Kaiserslautern/Deutschland Der Einsatz von Modulsystemen mit getauchten Membranen zur Abwasserreinigung hat gegenüber konventionellen Verfahren ohne Membranen zahlreiche Vorteile, allerdings auch den Nachteil eines höheren Energieverbrauchs. Zur Reduzierung der erforderlichen Energie wurde ein Spiralwickel-Element entwickelt, dessen wellenförmiger Feedspacer die Verblockungsneigung durch definierte Strömungskanäle verringert. Die dabei eingesetzten Feedspacer weisen Kanalhöhen von 1,2 mm bis 5 mm auf, mit denen die Module als 4“ bzw. 8“-Elemente eine Membranfläche von 6,5 m² bzw. 8,5 m² erreichen. Die daraus resultierenden Packungsdichten sind deutlich höher als von üblicherweise eingesetzten getauchten Systemen mit Plattenoder Hohlfasermembranen, wodurch sich der spezifische Luftbedarf der Begasung reduzieren lässt. In dieser Arbeit soll der zur Filtration erforderliche Energiebedarf theoretisch und experimentell ermittelt, sowie das Modul im Hinblick auf Spacerhöhe und Begasungsrate optimiert werden. Die theoretischen Betrachtungen umfassen unter anderem numerische Strömungssimulationen mit denen der Aufstieg verschiedener Gasblasen in Einzelkanälen mit dem Volume-of-Fluid Modell in Ansys FLUENT simuliert wird. Von besonderem Interesse sind dabei die auftretenden Wandscherspannungen während des Blasenaufstiegs in Abhängigkeit von Blasengröße und eingesetzter Spacerhöhe. Dazu werden an einer voll automatisierten Versuchsanlage Permeationsmessungen mit verschiedenen Suspensionen durchgeführt, bei denen der zeitliche Verlauf des Filtrationswiderstandes gemessen wird. Dabei werden auch Suspensionen mit nicht-newtonschem Fließverhalten untersucht. Besonderes Interesse gilt dabei neben der Zunahme des Filtrationswiderstandes durch verschiedene Foulingphänomene auch der Verblockung einzelner Feedkanäle. Die hierbei gemessenen Werte dienen zur Gewinnung zusätzlicher Eingangsparameter für die Simulation und deren Validierung. Mit den Ergebnissen soll gezeigt werden, dass der Einsatz von SpiralwickelElementen im Bereich der Partikelfiltration und für die Filtration von industriellen und kommunalen Abwässern Einsparpotentiale bezüglich des Energieverbrauchs bietet. Untersuchungen zur Entmonomerisierung wässriger Polymerlösungen mithilfe der Ultrafiltration Gordana Cvetanoska, Marcus Grünewald Ruhr-Universität Bochum, Bochum Bei der Herstellung von Polymeren gehört die Entfernung von Restmonomeren zu einer der Hauptaufgaben bei der Aufarbeitung. Häufig angewendete Methoden sind die Nachreaktion bei höheren Temperaturen und das Strippen bzw. die Entgasung der Polymerlösung. Beide Vorgehensweisen werden im Fall von batchweise hergestellten Polymeren in der Regel noch im Rührkesselrektor durchgeführt. Kontinuierliche Verfahren finden dagegen nur bei Bulkpolymeren Verwendung. Ziel eigener Untersuchungen ist es, auch für kleinvolumige Polymerprodukte ein kontinuierliches Aufarbeitungsverfahren zur Entfernung der Restmonomere zu entwickeln. Wesentliche Randbedingung ist dabei im Sinne eines schnellen Markteintritts neuer Polymerprodukte, eine möglichst zeit- (und kosten)effizente Übertragung des Aufarbeitungsverfahrens vom Labormaßstab in den Produktionsmaßstab zu gewährleisten. Im Rahmen des Beitrages werden zunächst die potentielle Verfahrensalternativen diskutiert und die Auswahl der Ultrafiltration diskutiert. Im Anschluss erfolgt experimentellen die Vorstellung Versuchsaufbaus und des die Diskussion der experimentellen Untersuchungen zum Einfluss der Betriebsparameter auf die Zielgröße Monomerkonzentration im Retentat sowie auf den Permeatfluß. Die Ergebnisse zeigen, dass der Permeatfluß linear mit der transmembranen Druckdifferenz ansteigt. Mit steigender Temperatur und größere Cross-Flow-Geschwindigkeit sinkt der Permeatfluß aufgrund des verbesserten Stofftransportes und der verringerten Neigung zum Fouling. Neben den genannten Einflussfaktoren wurde zudem der Einfluss der Polymerkonzentration untersucht. Eine erhöhte Konzentrationspolarisation und ein verstärktes Fouling konnte beobachtet werden. Bestimmung von CO2-Gaslöslichkeiten in physikalischen und chemischen Waschmitteln mit Hilfe einer Phasengleichgewichtsapparatur F. Höhler, R. Deschermeier, S. Rehfeldt, H. Klein, Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik, Technische Universität München, Garching/Deutschland Für die Auslegung von Absorptions- und Desorptionsprozessen zur Entfernung von Kohlenstoffdioxid (CO2) aus Abgas- und Prozessströmen ist die Kenntnis des Phasengleichgewichts von Kohlenstoffdioxid und physikalischen oder chemischen Waschmitteln essentiell. Die Untersuchung von Additiven zu bestehenden Waschmitteln bei technisch relevanten Absorptions- und Desorptionsbedingungen und neuen, innovativen Waschmitteln ist nötig, um Stoffdaten für die Auslegung von Prozessen zu gewinnen und neu entwickelte Screening-Tools validieren zu können. Am Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik der Technischen Universität München wird hierfür eine neukonzipierte Phasengleichgewichtsapparatur verwendet, mit welcher isotherme Gas-Flüssig- und Gas-Flüssig-Flüssig-Gleichgewichte im Temperaturbereich von -20 bis +180°C und Druckbereich von 4 bis 75 bar vermessen werden können. Aus Experimenten an dieser Apparatur können Löslichkeitsdaten wie etwa (p,x,y)-Daten oder Henry-Koeffizienten ermittelt werden. Als erstes Testsystem im Bereich der physikalischen Waschmittel wurde zur Validierung der Apparatur das Stoffsystem CO2/Methanol bei Temperaturen von -15 bis +25°C im Druckbereich bis 51 bar untersucht. Es zeigt sich, dass die in der Literatur aufgeführten Daten sehr gut wiedergegeben werden können. Messungen des Stoffsystems CO2/Methanol/Wasser zeigen, dass sich, wie in der Literatur beschrieben, die Absorptionsfähigkeit von reinem Methanol bei Wasserzugabe deutlich verschlechtert. Ebenso werden Gleichgewichtsdaten von CO2/Glycolethern/Wasser ermittelt. Die Gleichgewichtsdaten werden mit entsprechenden Zustandsgleichungen modelliert, beispielsweise der Cubic-Plus-Association Equation of state. Enzymaktivierte Lösungsmittel für die Reaktivabsorption von CO 2 : Strategien für ein Einsatz in Absorptionskolonnen Anna-Katharina Kunze, Andrzej Górak, Philip Lutze Technische Universität Dortmund, Dortmund, Deutschland Die Abtrennung von CO 2 aus industriellen Abgasströmen ist eine Möglichkeit CO 2 Emissionen signifikant zu verringern. Stand der Technik ist die reaktive CO 2 Absorption mit wässrigen Aminlösungen, z.B. Monoethanolamin. Diese Lösungsmittel zeichnen sich durch hohe Reaktionsraten aus, fordern aber einen hohen Energiebedarf bei der Regeneration. Außerdem treten zusätzlich Nebenreaktionen auf, welche die Lösungsmittelkapazität verringern. Dadurch stellt die Lösungsmittelregeneration den operativen Hauptkostentreiber in der Abtrennung von CO 2 dar. Besonders für großtechnische Anlagen, wie es beispielsweise bei Anwendung der Post Combustion Capture Technologie an Kraftwerksanlagen der Fall wäre, ist die Intensivierung dieses Prozesses von oberster Priorität. Potential bieten hierbei Lösungsmittel, welche sich durch gute Regenerationseigenschaften auszeichnen, aber in der Vergangenheit vernachlässigt wurden, da sie eine geringe Reaktionsrate bei Temperaturen unterhalb von 60°C aufweisen. Der hier verfolgte Ansatz ist die Reaktionsraten mit Hilfe der gezielten Auswahl und Zugabe von Katalysatoren signifikant zu steigern. Der Fokus liegt dabei auf der Anwendung biologischer Katalysatoren, die herausragende Steigerung der bei diesen Temperaturen Reaktionsrate ermöglichen. Das eine Enzym Carboanhydrase katalysiert die Hydratisierung von CO 2 , die als geschwindigkeitslimitierender Schritt in der Reaktivabsorption von CO 2 gilt. So können die positiven Eigenschaften der gewählten Lösungsmittel genutzt werden indem ein nachwachsender, bioabbaubarer und hoch selektiver Biokatalysator eingesetzt wird. Diese Arbeit zeigt wie enzymaktivierte Lösungsmittel in Absorptionskolonnen eingesetzt werden können. Zunächst werden Experimente im Labormaßstab durchgeführt, um das Enzym und das Enzym-Lösungsmittelsystem zu charakterisieren. Darauf basierend werden Strategien entwickelt, um das gemeinsame Betriebsfenster der Reaktivabsorption und des Enzyms möglichst effizient zu nutzen. Diese Strategien umfassen unterschiedliche Integrationsvarianten des Enzyms im Prozess als homogener oder heterogener Katalysator. Abschließend werden Experimente im Miniplant Maßstab durchgeführt, um die Anwendung des Enzyms Reaktivabsorption in Kolonnen näher zu untersuchen. The research leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme FP7/2007-2013 under grant agreement n° 608535. zur Experimentelle Untersuchung eines neuen vielversprechenden Lösungsmittels für die CO2 -Abscheidung N. Hüser, T. Schuhmacher, E.Y. Kenig Universität Paderborn, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Paderborn/Deutschland Die Abscheidung von Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) aus Kraftwerksabgasen wird überwiegend durch Aminwäsche realisiert. Dieses Verfahren, bestehend aus einer Absorption mit wässrigen Aminlösungen und anschießender Regenerierung, ist sehr energieintensiv. In industriellen Anwendungen wird heutzutage überwiegend Monoethanolamin (MEA) als Standardlösungsmittel verwendet. In der Literatur werden jedoch zahlreiche weitere aminhaltige Lösungsmittel (Aminmischungen, aktivierte Amine, Energieverbrauch sterisch der gehinderte CO 2 -Abscheidung Amine) zu vorgeschlagen, senken und um den damit den Kraftwerkswirkungsgrad zu erhöhen. Von diesen Alternativen wurden aber bisher nur wenige experimentell überprüft. Im Laufe eines umfangreichen Screenings [1] im Rahmen des von der EU finanzierten Projektes CAPSOL (FP7-ENERGY-2011-282789) hat sich 3-Amino-1propanol (3-AP) als vielversprechend erwiesen. Dieses Amin ist kommerziell erhältlich, wurde jedoch noch nicht im Kreislauf aus Ab- und Desorption von CO 2 getestet. An der Universität Paderborn wurden Technikumsversuche mit MEA und mit 3-AP an einer Absorptions/Desorptions Anlage durchgeführt. Die Anlage ermöglicht die Aufnahme von Temperaturprofilen der Gasphase sowie von Konzentrationsprofilen beider Phasen. Um beide Lösungsmittel vergleichen zu können, wurden die Experimente unter gleichen Betriebsbedingungen durchgeführt, nämlich bei Gasbelastungen von 1 und 2 Pa0,5 und Flüssigkeitsbelastung von 10 und 20 m3/m2h. Die Lösungsmittelkonzentration im Wasser wurde auf 20 Gew% eingestellt, während die CO 2 -Konzentration im Gas zwischen 5 und 12 Vol% variiert wurde. Die Ergebnisse der Technikumsversuche wurden genutzt, um die Ab- und Desorptionseffizienz beider Amine gegenüberzustellen und somit den Einsatz von 3AP als alternatives Lösungsmittel bewerten zu können. [1] A.I. Papadopoulos et al.: Chemical Engineering Transactions, 39 (2014), 211-216. Design optimization through data reconciliation on the Rectisol process Lucie Chaubet, Dr. Gökhan Aras, Dr. Holger Schlichting, Sophia Schmidt Air Liquide Forschung & Entwicklung, Frankfurt am Main/Germany Air Liquide Global E&C Solutions Germany The Lurgi Rectisol® process is the leading technology for the purification and conditioning of syngas downstream the gasification of coal, petcoke and oil residues. A key to design optimization and to support to operations is having a very precise and reliable process simulation. Several measurement campaigns at commercial plants in operation were conducted to collect an extensive amount of process data, including quantification of trace impurities. The raw data coming from the plants are treated by data reconciliation to take into account the inaccuracies of the measured data. The results are used for the validation of the process simulation model and for fine tuning of the design tools. The methodology of data reconciliation will be presented and the benefit on the quality of the data will be shown. Untersuchung fluiddynamischer Parameter in Packungskolonnen durch Verwendung von Röntgencomputertomographie S. Schug, W. Arlt Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik, Universität Erlangen-Nürnberg Das Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe verlässlicher in-situ Messungen des Strömungsverhaltens einer oder mehrerer flüssiger Phasen in Packungskolonnen, die Modelle für die Prozessoptimierung der Ein- und Mehrphasendestillation zu verbessern. Hierfür wird in dieser Arbeit die Röntgencomputertomographie als nicht-invasives Messverfahren eingesetzt. verfahrenstechnische Die Versuche Anwendungen werden ausgelegten mit einem speziell Computertomographen für (CT) durchgeführt, der die Untersuchung von Strömungen in vertikalen Objekten ermöglicht. Der Detektor und die Strahlenquelle rotieren um die feststehende Kolonne, so dass die Strömung im Inneren nicht durch Zentrifugalkräfte beeinflusst wird. Auf Grund der hohen örtlichen (70 μm) und zeitlichen (1000 Projektionen pro Sekunde) Auflösung können fluiddynamische Parameter innerhalb der Packung mit einer hohen Präzision abgebildet werden. Messwerte für die Stoffaustauschfläche, den Flüssigkeitsinhalt, die Filmdicke der Flüssigkeit auf der Packung oder zwischen zwei flüssigen Phasen können direkt aus den an verschiedenen Höhenpositionen aufgenommenen CT-Bildern bestimmt werden. Für die Auswertung werden die Bilder mittels Matlab segmentiert, so dass alle auftretenden Komponenten und Phasen in einem spezifischen Grauwert dargestellt werden. Erste Versuche wurden in einer DN 100 Glaskolonne mit einer Packungshöhe von 1000 mm durchgeführt. Um den Einfluss der Packungsoberfläche auf die Fluiddynamik zu untersuchen, standen fünf verschiedene Packungstypen mit unterschiedlich bearbeiteten Oberflächen der Firma Sulzer Chemtech AG zur Verfügung. Für die Charakterisierung der Packungstypen sind je drei Flüssigkeiten (Wasser, n-Heptan und Isopropanol) mit Flüssigkeitsbelastungen zwischen 5 und 50 m3 m-2 h-1 aufgegeben worden. Als weiterer Parameter wurde der Einfluss der Verdrehung der Packungselemente zueinander bei 0° und 90° betrachtet. Für die Darstellung des Strömungsverhaltens der Flüssigkeit auf der Packung und der radialen Verteilung des Flüssigkeitsinhaltes wurden zudem dreidimensionale Ansichten von kurzen Packungsabschnitten (30 mm) erzeugt. Experimentelle Untersuchung der Flüssigkeitsmaldistribution in Füllkörperkolonnen mit unterschiedlichen Durchmessern Florian Hanuš1, Rainer Hoffmann2, Sebastian Rehfeldt1, Harald Klein1 1 Technische Universität München, Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik, Garching/Deutschland; 2Linde AG, Pullach/Deutschland Die Vorhersage der Flüssigkeitsmaldistribution in Packungskolonnen ist bisher unzureichend, woraus hohe Sicherheitsaufschläge bei der Auslegung resultieren. Das Phänomen Maldistribution ist Inhalt einer Vielzahl an Veröffentlichungen, wobei jedoch die wenigsten Arbeiten Messergebnisse in Form von Rohdaten enthalten. Diese sind jedoch notwendig, um Modelle zur Vorhersage der Flüssigkeitsmaldistribution zu entwickeln. Im Rahmen des Projekts „Zellenmodell zur Auslegung von Packungskolonnen und Flüssigkeitsverteilern“ wird das Phänomen der Flüssigkeitsmaldistribution an Füllkörperkolonnen mit unterschiedlichen Durchmessern untersucht und so eine Datenbasis zur Flüssigkeitsverteilung in Packungskolonnen erstellt. An der Technischen Universität München werden in einer Kolonne mit 1200 mm Durchmesser und maximalen Packungshöhen von 3 m unter Verwendung des Stoffsystems Wasser/Luft Füllkörper mit Nenngrößen von 25 bis 90 mm untersucht. Eine zweite Kolonne bei der Linde AG in Pullach mit 440 mm Durchmesser und Packungshöhen bis 6 m wird mit dem Stoffsystem Isohexan/Stickstoff betrieben. An dieser Kolonne werden Füllkörper mit Nenngrößen bis 35 mm vermessen. Die Berieselung der Füllkörperschüttungen erfolgt mit verschiedenen Aufgabeprofilen und Flüssigkeitsverteilern. In den Kolonnen sind unterhalb der Packung Aufnahmevorrichtungen installiert. Diese Aufnahmevorrichtungen unterteilen den Strömungsquerschnitt in definierte Bereiche, in denen jeweils die Durchflussraten bestimmt werden. Als Ergebnis erhält man eine Vielzahl an Verteilspektren unterschiedlicher Füllkörperschüttungen bei variierenden Betriebspunkten und Aufgabeprofilen der Flüssigkeit. Die Verteilspektren geben Aufschluss über den Einfluss von Gas- und Flüssigkeitsbelastung sowie der Flüssigkeitsaufgabe auf die Flüssigkeitsverteilung in Füllkörperschüttungen. Durch Messungen an Kolonnen mit unterschiedlichen Durchmessern wird die Übertragbarkeit von Ergebnissen aus dem Technikumsmaßstab in den industriellen Maßstab bewertet. Untersuchungen zur Flüssigkeitsverteilung in Packungskolonnen mithilfe von Zellenmodellen Felix van Holt, Guanghua Zheng, Marcus Grünewald, Ruhr Universität/Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Bochum/Deutschland; Füllkörper- und Packungskolonnen sind in der Verfahrenstechnik die am häufigsten eingesetzten Apparate für Trennaufgaben. Im Rahmen der Absorption werden die Gas- und Flüssigphase i.d.R. im Gegenstrom gefahren. Signifikanten Einfluss auf die Betriebsparameter besitzt die Verteilung der Gas- und Flüssigphase. Der Wunsch nach hohen Kapazitäten, hohen Trennleistungen, geringen Druckverlusten und hierdurch geringeren Kosten brachte in der Vergangenheit zahlreiche verschiedene Einbauten mit differenten Geometrien und Materialen hervor. Weiterhin stehen verschiedene Messverfahren zur Bestimmung der Strömungsfläche zwischen Gas- und Flüssigphase in strukturierten Packungen oder geordneten Schüttungen zur Verfügung. Zur Bestimmung der Phasendistribution in Packungen und geordneten Schüttungen kommt der Gittersensor (engl. The capacitive wire-mesh sensor. Abkürzung: WMS) zum Einsatz, welcher im Jahre 1998 am FZD (Forschungszentrum DresdenRossendorf e.V.) entwickelt wurde. Zwei parallele Ebenen matrixförmig angeordneter Messelemente werden in geringen Abstand (bzgl. Kolonnenhöhe) zueinander angeordnet. Es resultiert eine matrixförmige Anordnung der Messpunkte. Die Messung der Kapazität oder der Leitfähigkeit, zwischen den Ebenen, ermöglicht die Phasenverteilung über den Querschnitt mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung darzustellen. In diesem Beitrag werden in Ergänzung zum Vortrag in 2014 weiterführende Messungen zur Flüssigkeitsverteilung an einer DN300-Kolonne vorgestellt und diskutiert. Zudem wird ein Zellenmodell zur Auswertung der Verteilungsmessungen und zur Charakterisierung der Güte der Flüssigkeitsverteilung von Packungsmaterialien vorgestellt. Einfluss des Neigungswinkels strukturierter Packungen auf das Strömungsverhalten: Bewertung basierend auf tomographischen Untersuchungen J. Steube1, A. Janzen1, S. Aferka2, M. Crine2, P. Marchot2, D. Toye2, E.Y. Kenig1 1 Universität Paderborn, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Paderborn/Deutschland 2 Universität Liège, Department of Chemical Engineering, Liège/Belgien In vielen thermischen Trennprozessen werden zur Intensivierung des Wärme- und Stoffaustausches zwischen Gas- und Flüssigphase Kolonneneinbauten eingesetzt. Eine effiziente Art von Kolonneneinbauten sind strukturierte Packungen, die sich durch einen niedrigen Druckverlust und eine hohe Trennleistung auszeichnen. Die Leistung einer Packungskolonne ist stark von der Fluiddynamik abhängig. Diese kann jedoch nur sehr schwer experimentell untersucht werden, da Messsensoren innerhalb einer Packung die Strömung beeinflussen würden. Im Gegensatz dazu stellt die Röntgentomographie ein nicht invasives Analyseverfahren zur Identifizierung des Strömungsverhaltens der Flüssigkeit im Inneren von strukturierten Packungen dar. Mit diesem Verfahren können anhand von Querschnittsbildern typische Strömungsmuster abgebildet werden, ohne Einfluss auf die Strömung selbst zu nehmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Flüssigkeitsverteilung in einer DN100 Kolonne an der Universität Liège tomographisch untersucht. Als Stoffsystem wurde WasserGlycerin gewählt, wobei die Viskosität der Flüssigkeit durch verschiedene Anteile von Glycerin variiert wurde. Zur Untersuchung wurden die Packungen Mellapak 500.X und MellapakPlus 752.Y verwendet. Beide Packungen haben eine spezifische Oberfläche von 500 m²/m³, wobei der Typ X einen Neigungswinkel von 60° und der Typ Y einen Neigungswinkel von 45° zur Horizontalen aufweisen. Mit Hilfe der Querschnittsbilder wurden axiale Kolonnenprofile für Flüssigkeitsinhalt und effektive Stoffaustauschfläche in beiden Packungen bestimmt. Außerdem wurden die auftretenden Strömungsformen anhand von morphologischen Untersuchungen in drei Kategorien aufgeteilt: Filme, Flüssigkeitszwickel an Kontaktstellen zwischen zwei Packungslagen sowie komplett gefüllte Kanäle. Die Ergebnisse der Untersuchungen beider Packungstypen wurden miteinander verglichen, um den Einfluss des Neigungswinkels der Packungsbleche auf die Strömungsform zu bewerten. Modellierung und experimentelle Analyse der Nanofiltration uranhaltiger Wässer Michael Hoyer, Dr. Roland Haseneder, Prof. Dr.-Ing. Jens-Uwe Repke, Institut für Thermische Verfahrenstechnik, Umwelt- und Naturstoffverfahrenstechnik, TU Bergakademie Freiberg, Freiberg/Deutschland Bei der Abwasserbehandlung an den ehemaligen Uranbergbaustandorten in Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen werden die toxischen Zielsubstanzen aktuell durch Fällung abgetrennt [Paul2006] - Membranverfahren finden bisher keine Anwendung. Dabei zeigt die Nanofiltration ein großes Potenzial für den Einsatz bei der Behandlung von Bergbauwässern [Al-Zoubi2010]. Ziel dieser Untersuchungen ist es, das generelle Potential der Membranverfahren bezüglich zukünftiger Herausforderungen an den ehemaligen Uranbergbaustandorten - insbesondere strenger werdender Grenzwerte - aufzuzeigen. Dazu wurden verschiedene kommerziell verfügbare NF-Membranen hinsichtlich ihres Behandlungserfolges an realen Probenwässern, sowie an synthetischen uranhaltigen Lösungen untersucht [Hoyer2014]. Zusammen mit einer umfassenden Membrancharakterisierung gehen diese experimentellen Daten des Modell- und des realen Systems in eine Modellbildung und numerische Simulation ein. Das entwickelte Modell basiert auf dem Donnan Steric Pore and Dielectric Exclusion Modell (DSPM&DE), welches in Matlab® realisiert wurde. Die Modellierung der Stofftransportvorgänge in den Nanofiltrationsmembranen zielt auf ein grundlegendes Verständnis der Trennmechanismen ab, die für die Uranspezies auftreten. Hieraus sollen Aussagen zur positiven Beeinflussung der selektiven der Uranabtrennung abgeleitet werden. Quellen: Paul, M., Gengnagel, M. & Baacke, D. 2006, "Integrated water protection approaches under the WISMUT project: The Ronneburg case", Uranium in the Environment: Mining Impact and Consequences, pp. 369. Al-Zoubi, H., Rieger, A., Steinberger, P., Pelz, W., Haseneder, R. & Härtel, G. 2010, "Nanofiltration of acid mine drainage", Desalination and Water Treatment, vol. 21, no. 1-3, pp. 148-161. Hoyer, M., Zabelt, D., Steudtner, R., Brendler, V., Haseneder, R. & Repke, J.-. 2014, "Influence of speciation during membrane treatment of uranium contaminated water", Separation and Purification Technology, vol. 132, pp. 413-421. Energetische Betrachtung einer mehrstufigen Vakuum-Membrandestillation bei der Aufkonzentrierung von Salzlösungen im Sättigungsbereich Ch. Kleffner, N. Kruse, G. Braun, Fachhochschule Köln, Köln/Deutschland S. Heinzl, memsys TEC AG, Grafing/Deutschland Nicht nur aufgrund der Abhängigkeit der Prozessindustrie von verfügbaren Frischwasserressourcen, sondern auch aufgrund verschärfter behördlicher Auflagen wächst die Forderung, das Wasserrecycling durch produktionsintegrierte Aufbereitungsprozesse zu verstärken. Die Abwasserreduktion ist auch mit ökonomischen und energetischen Einsparpotentialen verbunden, die es gilt, durch effiziente Trennverfahren auszuschöpfen. Membranprozesse dominieren den Bereich der Abwasserreinigung und -Aufbereitung. In diesem Zusammenhang stehen, neben höheren Permeatleistungen, auch Konzepte zur Senkung des Energieaufwands im F&EFokus. Zur Aufbereitung von Salzlösungen bietet die Umkehrosmose eine etablierte Methode, deren Einsatz jedoch bei höheren Konzentrationen durch den osmotischen Druck begrenzt ist. Doch gerade dieser Anwendungsbereich ist für die Realisierung des „Zero Liquid Discharge“ entscheidend. Die Membrandestillation bietet das Potential, diesen Herausforderungen gerecht zu werden, da Niedertemperatur-Abwärme als Energiequelle genutzt werden kann. In dieser Arbeit wird die Aufbereitung verschiedener Salzlösungen nahe der Sättigung unter Anwendung der Vakuum-Multi-Effekt-Membrandestillation untersucht. Hierfür wurden Pilotversuche mit einem neuartigen, korrosionsbeständigen Modul durchgeführt, in dem vier Effektstufen und somit eine modulinterne Rückgewinnung der Verdampfungswärme umgesetzt werden. Unter Berücksichtigung des Einflusses leistungslimitierender Faktoren auf den spezifischen Wärmebedarf, wird eine energetische Betrachtung des untersuchten Systems durchgeführt. Hierbei spielen die Siedepunktserhöhung sowie die Konzentrationspolarisation eine vorrangige Rolle. Auf der Basis dieser Ergebnisse kann gezeigt werden, dass dieses neuartige Konzept eine praktikable und energieeffiziente Umsetzung der Membrandestillation ermöglicht, sodass eine wirtschaftliche Behandlung hochkonzentrierter Feedlösungen erreicht werden kann. Eine systematische Untersuchung zur Anwendung der Membrandestillation in der Meerwasserentsalzung Andrea Hagedorn, Technische Universität Hamburg-Harburg, Hamburg; Georg Fieg, Technische Universität Hamburg-Harburg, Hamburg; Joachim Koschikowski, Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg; Thomas Mann, MAHLE Industriefiltration GmbH, Hamburg Die Membrandestillation ist ein innovatives Verfahren, welches die Vorteile eines thermischen Verfahrens mit denen eines Membranverfahrens in einem effizienten Hybridprozess verbindet. Die potentiellen Anwendungsgebiete der Membrandestillation sind ausgesprochen vielfältig, z.B. in der chemischen Industrie oder der Medizintechnik. Insbesondere in industriellen Prozessen, wo günstige Abwärme zur Verfügung steht, bietet sich mit der Membrandestillation ein energieeffizientes Verfahren, um Stoffsysteme erfolgreich zu trennen oder zu konzentrieren. Im Rahmen einer industriellen Forschungskooperation wird die Anwendung der Membrandestillation in der Meerwasserentsalzung umfangreich untersucht. Hierfür wurde zunächst eine Technikumsanlage zur Entsalzung mittels Membrandestillation an der TUHH in Betrieb genommen. Sowohl Spiralwickelmodule basierend auf der permeat gap membrane distillation (PGMD) Konfiguration als auch der direct contact membrane distillation (DCDM) Konfiguration können vermessen und verglichen werden. Mit Hilfe dieser Anlage kann die Performance eines Moduls für unterschiedliche Betriebspunkte und verschiedene Salzkonzentrationen bestimmt werden. Die Vielzahl experimenteller Ergebnisse wurde außerdem mit einer Simulationssoftware validiert. Basierend auf den Erfahrungen mit der Technikumsanlage wurde im nächsten Schritt eine Feldversuchsanlage konzipiert und gebaut. Diese neue Anlage entsalzt natürliches Meerwasser im Dauerbetrieb. Neben Langzeiterfahrungen soll insbesondere auch das Fouling- und Scalingverhalten der Module untersucht werden. In der Präsentation werden experimentelle Ergebnisse der Technikumsanlage sowie der Vergleich mit Simulationsergebnissen präsentiert. Des Weiteren werden Erkenntnisse aus dem Feldversuch vorgestellt und eine Beurteilung des Verfahrens hinsichtlich der Meerwasserentsalzung gemacht. Entfernung von Tensiden aus organischen Lösungsmitteln durch organophile Nanofiltration D. Zedel, A. Drews, HTW Berlin, Verfahrenstechnik in Life Sci. Eng., Berlin M. Kraume, TU Berlin, FG Verfahrenstechnik, Berlin Die Entfernung von Tensiden aus organischen Lösungsmitteln ist u. a. in mehrphasigen Reaktionsprozessen, bei denen Tenside als Lösungsvermittler eingesetzt werden, von entscheidender Bedeutung für Produktqualität und Kosten. In dieser Arbeit wird die organophile Nanofiltration (ONF) als potenzieller Trennprozess für diese Aufgabe untersucht. Die Versuche A eff = 38,5 cm2) wurden bei mit einer T = 20 - 65 °C, Dead-end Testzelle TMP = 15 - 35 bar (Berghof und GH 400, anfänglichen Tensidmassenanteilen von 3 - 22 Zí durchgeführt. Es wurden drei PDMS/PAN Kompositmembranen verwendet, die vor und nach der Filtration mittels SEM untersucht wurden. Als Lösungsmittel wurde 1-Dodecen eingesetzt, als Tensid Marlipal 24/70 (Molmasse § 496 g/mol). Der Tensidmassenanteil in Feed, Retentat und Permeat wurde mittels hochgenauer Dichtemessung (Anton Paar) bestimmt. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass eine Abtrennung des Tensids mittels ONF möglich ist. Es konnten Rückhalte bis zu 93% und Permeabilitäten bis zu >2 L/(m2 h bar) erzielt werden. Für reines Dodecen korrelierten die Flüsse gut mit der Dicke der trennaktiven Schicht der kompaktierten Membranen. Die höchsten Rückhalte bei gleichzeitig geringsten Permeabilitäten wurden mit der 05/070 Membran erreicht, welche von den drei untersuchten Membrantypen die größte Schichtdicke aufwies. Der Einfluss der Temperatur auf die Permeabilitäten war umgekehrt proportional zum Einfluss der Temperatur auf die Viskosität. Erste Modellierungsansätze konnten die experimentellen Daten gut abbilden. Diese Arbeiten sind Teil des von der TU Berlin koordinierten SFB/Transregios 63 "Integrierte chemische Prozesse in flüssigen Mehrphasensystemen". Wir danken der DFG für die finanzielle Unterstützung des Projektes (TRR 63) und dem HelmholtzZentrum Geesthacht für die Bereitstellung von Membranproben. Analyse des Stofftransports bei einem Membrankontaktorverfahren mit dichter Membran für die Biogasaufbereitung Joachim Kerber, Jens-Uwe Repke, TU Bergakademie Freiberg, ITUN Die Aufbereitung von Biogas zu Bioerdgas ist ein vielversprechendes Verfahren, um fossiles Erdgas durch regeneratives Biogas zu ersetzen. Dabei hat die dafür nötige Abtrennung von Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) aus dem Biogasstrom einen großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Die industriell eingesetzten Verfahren Druckwasserwäsche, Druckwechseladsorption und Aminwäsche sind technologisch etabliert aber energieaufwändig. Mit einem neuartigen Membrankontaktorverfahren mit dichter Membran kann durch Integration eines Gaspermeations- und eines Absorptionsverfahrens in einem Apparat die Trenneffizienz gegenüber den konventionellen Trennverfahren gesteigert werden. In dem selbst entwickelten Membrankontaktormodul wird eine CO 2 -selektive Gaspermeationsmembran mit einer für das Lösungsmittel impermeablen Teflon-AFBeschichtung eingesetzt. Erste eigene experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz einer dichten Membran in einem Membrankontaktor keinen höheren Stofftransportwiderstand bewirkt als eine vergleichbare nichtselektive poröse Membran. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass mit dem getesteten Membrankontaktor und einem geeignetem Waschmittel eine höhere Gesamtselektivität erreicht werden kann als bei einem reinen Gaspermeationsverfahren. Dies führt zu einer starken Reduktion der Methanverluste bei der Aufbereitung. Mithilfe eines experimentell validierten rigorosen Simulationsmodells kann der Stofftransport in dem Membrankontaktor beschrieben und die relevanten Stofftransportwiderstände identifiziert werden. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wird der Betrieb des Kontaktors mit verschiedenen CO 2 -selektiven Waschmitteln dargestellt und dabei der Einfluss des Druckniveaus und des Lösemittelstroms auf den Stofftransportwiderstand und damit auf die Trennleistung des Kontaktors genau analysiert. Die für die Aufbereitung benötigte Membranfläche des Membrankontaktors wird anhand eines vergleichbaren Gaspermeationsverfahrens diskutiert. Dezentrale O 2 -Versorgung mit keramischen HochtemperaturMembranen R. Kriegel, Fraunhofer IKTS, 07629 Hermsdorf; Abstract Sauerstoff wird großtechnisch über kryogene Luftzerlegung hergestellt, wobei für energetisch hochoptimierte, sehr große Anlagen ein minimaler spezifischer Energiebedarf von 0,36 kWh el. /Norm-m3 O 2 erreicht werden kann. Mit sinkender Anlagengröße steigt dieser jedoch merklich an, so dass für O 2 -Bedarfsmengen unter 1000 Nm3 O 2 /h typischerweise PSA- (Pressure Swing Adsorption) und VPSAAnlagen (Vacuum PSA) eingesetzt werden. Kleine PSA-Anlagen (<100 Nm3 O 2 /h) weisen minimale Energieverbräuche von ca. 0,9 kWh el. /Nm3 O 2 auf, erreichen jedoch nur maximal 95 Vol.-% O 2 -Gehalt im Produktgas. Für viele O 2 -Einsatzgebiete ist dieser Energieverbrauch gegenüber dem Nutzeffekt zu hoch. Eine Versorgung mit Flüssigsauerstoff und Flaschengas ist i. A. bei kontinuierlichem O 2 -Bedarf noch wesentlich teurer. Für die Erzeugung von hochreinem Sauerstoff aus Luft können MIEC-Membranen (MIEC - Mixed Ionic Electronic Conductor) eingesetzt werden. Die Betriebskosten des Verfahrens werden wiederum vom spezifischen Energieverbrauch dominiert, dieser hängt entscheidend von der Verfahrensführung und der Integration in wärmetechnische Prozesse ab. Für eine Markteinführung spielen außerdem die Investitionskosten eine große Rolle, gegenüber PSA- und VPSA-Anlagen sollten vergleichbare Anlagenkosten erreicht werden. Das Fraunhofer IKTS entwickelt ein energieeffizientes, einfaches Vakuumverfahren zur O 2 -Membrantrennung. Der Vergleich berechneter und experimenteller Daten von stand-alone Anlagen (Demonstratoren bzw. Prototypen) belegt, dass bereits für kleine O 2 -Bedarfsmengen eine Halbierung des PSA-typischen Energieverbrauchs erreicht werden kann. Die ökonomische Bewertung ergibt, dass der Kapitalbedarf für Aufbau und Betrieb der MIEC-Membrananlagen nach wenigen Jahren (2 - 7) denjenigen kommerzieller Anlagen unterschreitet. Durch die entsprechend Kostensenkung für den dezentral erzeugten Sauerstoff eröffnen sich vielfältige Anwendungsbereiche, zunächst insbesondere im Bereich der Kleinanwendungen (Biomasse-Vergasung, Verbrennungsprozesse, Medizintechnik). Einsatz von Membranverfahren zur Gasseparation für sich ändernde Rohstoff- und Energieversorgungsszenarien Torsten Brinkmann, Maria Grätz, Jelena Lillepärg, Heike Mushardt, Sergey Shishatskiy, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Institut für Polymerforschung, Geesthacht/Deutschland In den kommenden Jahren wird sich die Rohstoffbasis für die Energieerzeugung und für die chemische Industrie grundlegend ändern. Es ist absehbar, dass gasförmige Einsatzströme eine größere Rolle spielen werden. Neben Erdgas werden nicht konventionelle Gasvorkommen sowie Biogas und Produktgase aus der Biomassenvergasung an Bedeutung gewinnen. Für die Aufbereitung dieser Gasgemische auf die für den weiteren Einsatz geforderten Qualitäten sowie für die Fraktionierung der unter Verwendung der Gase erzeugten Produktströme kann das Membranverfahren Gaspermeation, auch in Hybridkonfigurationen mit anderen Grundoperationen, eine wesentliche Rolle spielen. Membranmaterialien, welche zum Einsatz kommen könnten und teilweise bereits eingesetzt werden sind Blockcopolymere, die Polyethylenoxid als CO 2 -selektiven Block enthalten, Polyimide, die je nach Zusammensetzung des Einsatzgases für die Abtrennung von Wasserstoff oder CO 2 eingesetzt werden können und silikonbasierte Polymere für die Abtrennung gasförmiger, höherer Kohlenwasserstoffe. In diesem Beitrag wird der mögliche Einsatz dieser Membranverfahren am Beispiel einer Verfahrensauslegung für einen Fischer-Tropsch Prozess gezeigt, welcher als Einsatzgas das Produkt einer Biomassenvergasung verwendet. Um einen möglichst hohen Umsatz der Edukte und eine hohe Ausbeute der gewünschten Kohlenwasserstoffe zu erreichen, muss das Verhältnis der Edukte durch die Abtrennung von überschüssigem CO 2 eingestellt werden. Die Reaktionsprodukte werden durch eine Sequenz von Membranverfahren aufbereitet, welche den nicht umgesetzten Wasserstoff für die Rezirkulation zum Einsatzgas abtrennen, eine Vorfraktionierung der erzeugten Kohlenwasserstofffraktionen vornehmen sowie CO 2 und Wasser aus dem Prozess ausschleusen. Die Einsatzbereiche der verwendeten Membranen werden hinsichtlich Druck, Temperatur und Zusammensetzung anhand vorhandener experimenteller Charakterisierungen im Labor- und Pilotmaßstab vorgestellt. Ein neues Flachmembranmodulkonzept für die Gasseparation Torsten Brinkmann, Jan Wind, Heiko Notzke, Thorsten Wolff, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Institut für Polymerforschung, Geesthacht/Deutschland Sebastian Luhr, Li Zhao, Forschungszentrum Jülich, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-3), Jülich/Deutschland In den letzten Jahren wurde eine neue Generation von Hochflussmembranen für die Gasseparation entwickelt. Diese Entwicklungen zielen unter anderem auf Einsätze im Bereich der erneuerbaren Energien und auf die Abtrennung klimaschädlicher Komponenten aus gasförmigen Emissionen. Ein Beispiel ist die Abtrennung von CO 2 aus Kraftwerksrauchgasen. Um die hierbei auftretenden großen Gasströme mit einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand aufbereiten zu können, sind neue Membranmodulkonzepte erforderlich, welche die intrinsischen Eigenschaften der neuentwickelten Hochflussmembranen möglichst verlustfrei in die praktische Anwendung überführen. In dem hier vorgestellten Modulkonzept wird das die Triebkraft maximierende Gegenstromprinzip unter Berücksichtigung tolerierbarer permeatseitiger Druckverluste umgesetzt. Neben diesen Aspekten war ein wesentlicher Punkt bei der Entwicklung des Konzepts die Möglichkeit einer einfachen und kostengünstigen Hochskalierung der Membranmodule. Diese können entsprechend große Membranflächen enthalten und sind für den Einsatz mit bei Umgebungsdruck vorliegenden Einsatzgasen und vakuumunterstützter Permeatabfuhr optimiert. In diesem Beitrag wird die gesamte Entwicklung des Modultyps vorgestellt. Diese umfasst die verfahrenstechnische Bewertung des Konzepts im Vergleich zu anderen Modultypen mit Hilfe des gleichungsorientieren Prozesssimulators Aspen Custom Modeler® und die darauf basierende Erstellung erster Konstruktionsentwürfe. Die Verfeinerung dieser Entwürfe erfolgte mit dem CFD Programm Fluent®. Hierbei wurde neben der optimierten Strömungsführung über die Membranen auch das Einund Auslaufverhalten gezielt untersucht, um eine gleichmäßige Strömungsverteilung über die Membranflächen zu erzielen und Bypass-Strömungen zu vermeiden. Die so optimierte Konstruktion wurde in Fertigungszeichnungen für einen Prototypen umgesetzt. Es ist Pilotierungsergebnisse geplant, erste, vorzustellen. Das mit diesem untersuchte wasserdampfgesättigter Strom aus CO 2 und Stickstoff sein. Prototypen Gemisch erzielte wird ein Charakterisierung des Stofftransportes bei der Hochdrucktrennung von Gasgemischen mit Kohlenstoffmembranen N. Kruse, Y. Schießer, G. Braun, Fachhochschule Köln, Köln/Deutschland S. Kämnitz, H. Richter, I. Voigt, Fraunhofer IKTS, Hermsdorf/Deutschland J. U. Repke, TU Bergakademie Freiberg, Freiberg/Deutschland Gastrennung mittels Kohlenstoffmembranen wird bereits seit Jahrzehnten im Rahmen der Membranforschung untersucht. Ein wichtiges Alleinstellungsmerkmal dieser Membranen ist ihre hohe Druck- und Temperaturstabilität, die auch die vergleichsweise hohen Kosten rechtfertigen kann. Selbst der Einsatz bei Drücken jenseits von 10 MPa und Temperaturen von über 400 K lässt sich mit Kohlenstoffmembranen realisieren. Damit wird die Möglichkeit eröffnet, Gemischkomponenten unter extremen Prozessbedingungen abtrennen zu können. Obwohl Kohlenstoffmembranen die erforderlichen Eigenschaften für den Einsatz unter Hochdruckbedingungen aufweisen, liegen bisher kaum Veröffentlichungen zur Untersuchung ihres Trennverhaltens oberhalb weniger MPa vor. Auch die etablierten Stofftransportmodelle zur Beschreibung von porösen bzw. adsorptionsselektiven Membranen bilden die Messergebnisse für hohe Drücke nicht zufriedenstellend ab. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Verhalten von Kohlenstoffmembranen bei Drücken von bis zu 20 MPa und Temperaturen bis 450 K betrachtet. Die untersuchten Membranen wurden vom Fraunhofer IKTS/Hermsdorf entwickelt und gefertigt. Vermessen wurden CO 2 -Mischungen mit Helium und Stickstoff bei Transmembrandrücken bis 7 MPa. Bei konstantem Druck zeigen die Messergebnisse einen Anstieg der Permeanz und der Selektivität mit zunehmender Temperatur. Für ein äquimolares Gemisch aus CO 2 und Stickstoff wurde bei 450 K und einem Transmembrandruck von 7 MPa ein Trennfaktor von 2 gemessen. Ziel dieser Arbeit ist es, ein umfassendes Verständnis für die Transportphänomene bei Hochdruckbedingungen zu erlangen. Dafür ist die Entwicklung eines neuen Transportmodelles erforderlich, das Porenabmessungen in der Größenordnung des molekularen Wirkungsquerschnitts abbilden kann. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse soll dies durch ein teilempirisches Modell realisiert werden, welches die zwischen Fluid und Membran sowie zwischen den Gemischkomponenten vorhandenen Wechselwirkungen einbezieht. Molecular sieve membranes made from MOFs – Lab curiosity or bright industrial future? J. Caro, Leibniz Universität Hannover Metal-organic frameworks, called MOFs, are crystalline porous materials composed of metal ions or metal oxide clusters bridged by organic linking groups. Since certain MOFs show a permanent porosity and a reasonable stability such as the MOF subfamily zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs), the potential application fields of MOFs are similar like the application of zeolites such as gas storage, separation by adsorption, heterogeneous catalysis. Consequently, also MOFs have been evaluated as a supported μm-sized membrane layer in gas separation. Different to zeolite membranes, in the last few years several low-temperature synthesis methods for MOF layers on organic substrates have been developed. 1. If a porous support separates an aqueous and an organic solvent, one of the solvents contains the metal ion, the other the linker molecule, then a MOF layer forms at the contact zone polymer support – aqueous solvent [1,2] or inorganic support – organic solvent [3]. Recently, a concept for a scalable and inexpensive MOF membranes in polymeric hollow fibers has been developed [4]. 2. In the layer-by-layer deposition technique [5], a support is repeatedly dipped into a solvent containing metal ions or linker molecules with a washing step in-between. The epitaxially grown MOF films are also called SURMOFs [6]. Following this procedure, gas selective membranes can be obtained [7]. 3. MOF layers can be even prepared by spraying a linker solution and a metal solution simultaneously on a support [8]. However, so far no dense MOF membrane could be formed by this method. However, such a supported MOF membrane on a porous ceramic or metal support is difficult to prepare and to scale up. Therefore, the idea was born to combine the molecular sieving and adsorption properties of zeolites or MOFs with the excellent processing properties of polymers by mixing (nano) particles of a zeolite or MOF with a traditional polymer, called Mixed Matrix Membranes (MMM). For the membrane processing established technologies such as hollow fiber spinning or foil casting can be used. b) Supported MOF membrane (left), MMM of nano-ZIF-8 in matrimid (right) MMM are most effective if nano-sheets are incorporated into the polymer as shown schematically below. Some molecules go the short way through the membrane by passing the porous sheets; other molecules cannot since they are too bulky and therefore they have to go the long tortuosity way around the sheets through the neat polymer. Permeation of methane (critical diameter 3.8 Å) and carbon dioxide (critical diameter 3.3Å) separation through a mixed matrix membrane that consists of oriented exfoliated MOF or zeolite layers with a pore size between 3.3 and 3.8 Å embedded in a polymer [9]. Just recently, two papers on the synthesis of MOF nano-sheets for MMM appeared. In a Dutch paper a bottom up concept is followed: single exfoliated MOF layers are formed in the contact zone of a linker and a metal solution followed by sedimentation [10]. In the Chinese paper a top down strategy is used: A two-dimensional MOF is exfoliated by first wet ballmilling followed by exfoliation in a solvent under ultra-sonication [11].By the sophisticated processing technology, a brick-layer structure of the MOF sheets is formed which is crucial for gas transport through a polymer membrane containing selectively permeable flakes as for the first time proposed in ref. [12]. The progress and the problems of preparing MOF membranes is reported in [13]. 1 J. Yao, D. Dong, D. Li, L. He, G. Xu, H. Wang, Chem. Commun., 2011, 47, 2559-2561. A.J. Brown, J.R. Johnson, M.E. Lydon, W.J. Koros, C.W. Jones, S. Nair, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 124, 10767-10770. 3 H.T. Kwon, H.-K. Jeong, J. Amer. Chem. Soc., 2013, 135, 10763-10768. 4 A.J. Brown, N.A. Brunelli, K. Eum, F. Rashidi, J.R. Johnson, W.J. Koros, C.W. Jones, S. Nair, Science, 2014, 345, 72-75. 5 D. Zacher, O. Shekhah, C,. Wöll, R.A. Fischer, Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 1418-1429. 6 L. Heinke, Z. Gu, C. Wöll, Nature Commun., 2014, 5:4562. 7 A. Betard, H. Bux, S. Henke, D. Zacher, J. Caro, R.A. Fischer, Micropor. Mesopor. Mater., 2012, 150, 76-82. 8 H.K. Arslan, O. Shekhah, J. Wohlgemuth, M. Franzgreb, R.A. Fischer, C. Wöll, Adv. Funct. Mater., 2011, 21, 4228-4231. 2 9 Courtesy of J. Gascon, TU Delft 10 T. Rodenas, I. Luz, G. Prieto, B. Seoane, H. Miro, A. Corma, F. Kateijn, F.X.L. I Xamena, J. Gascon, Nature Mater., 2014, DOI10.1038/NMAT 4113 11 Y. Peng, Y. Li, Y. Ban, H. Jin, W. Jiao, X. Liu, W. Yang, Science, 2014, DOI10.1126/science.1254227 12 E.L. Cussler, J. Membr. Sci., 1990, 52, 275-288. 13 J. Caro, Curr. Opin. Chem. Engin., 2011, 1, 77-83. Rückblick auf 40 Jahre Entwicklung von Gitterfüllkörpern Prof. Dr.-Ing. -0DüNRZLDN ENVIMAC Engineering, 46149 Oberhausen, Im Erlengrund 27 Zusammenfassung In der Trenntechnik werden seit rund 40 Jahren zunehmend Füllkörper mit gitterartiger Struktur vorwiegend aus Kunststoff und Metall sowie auch Keramik meist im Durchmesserbereich von 15 bis 90 mm eingesetzt. Diese Gitterfüllkörper haben in den letzten Dekaden neben den strukturierten Packungen eine rasante Entwicklung erfahren und haben einen festen Platz in der Trenntechnik als Kolonnenfüllung in der Prozesstechnik, chemischer Industrie, Gasbelastung und in der Umwelttechnik. Diese Entwicklung begann in Deutschland Mitte der siebziger Jahre des 20 Jahrhunderts mit dem Nor-Pac –Füllkörper als Ergebnis der Zusammenarbeit zwischen den mittelständische Unternehmen und dem Lehrstuhl für Thermo-und Fluiddynamik der Ruhr-Universität Bochum. Im Beitrag wird berichtet, wie es zu der Entwicklung kam und wie daraufhin die weiteren Gitterfüllkörper der dritten Generation entwickelt wurden und heute den Markt erobert haben, so dass sie heute als Standardfüllkörper gelten. In der Zeit wurden auch standardisierte Versuchsprogramme entwickelt, die nach dem Abarbeiten eines Versuchsprogrammes und Auswertung der Messergebnisse eine schnelle Bewertung der Leistungsdaten untersuchter Füllkörper erlaubten sowie einen objektiven Vergleich unter den einzelnen Gitterfüllkörpern. Diese Vorgehensweise hat sich in der Versuchstechnik durchgesetzt und wird auch bis heute bei den Tests verwendet. Somit wurde die Versuchszeit deutlich reduziert und dadurch wurde die Reduzierung der Entwicklungskosten für die einzelnen Füllkörperhersteller erzielt. In der Zeit wurden außer in dem experimentellen Bereich enorme Fortschritte bei der Modellierung der Fluiddynamik und des Stoffaustausches erreicht. Dadurch konnten die Auslegungsunterlagen von sämtlichen Füllkörperformen verbessert bzw. verfeinert werden, was auch zur einheitlichen Beschreibung der Fluiddynamik und des Stoffaustausches von Füllkörpern beigetragen hat. Modifizierung des Billet und Schultes-Modells zur hydraulischen Modellierung von Füllkörpern und Packungen Verena Wolf, Markus Lehner, Montanuniversität Leoben, Leoben/Österreich; Karin Hoffmann, RVT Process Equipment GmbH, Steinwiesen/Deutschland Wenn neue Packungen entwickelt und in den Markt eingeführt werden, ist eine zuverlässige Vorausberechnung ihrer Eigenschaften schwer durchführbar, da der Einfluss aller geometrischen Eigenschaften von den bekannten Korrelationen nicht universell berücksichtigt werden können. Aus diesem Grund sind die vorhandenen Modelle zur Berechnung der Fluiddynamik-Eigenschaften nur für die Packungen gültig, für welche diese Modelle validiert wurden. Damit eine neu entwickelte Packung auch für die unterschiedlichsten Einsatzgebiete dimensioniert werden kann, muss eine zuverlässige Vorausberechnung der hydraulischen Eigenschaften möglich sein. Hierfür wurden die folgenden Modelle bezüglich ihrer Eignung untersucht, eine neuartige Gitterstrukturpackung, welche sowohl Eigenschaften von strukturierten Packungen als auch von regellosen Füllkörpern besitzt, zu modellieren: SRP-Modell, Delft-Modell, NNA-Modell von Piché et al., Billet und Schultes-0RGHOO 0DüNRZLDN-Modell und Stichlmair-Engel-Modell. Keines dieser Modelle ist in der Lage, die Fluiddynamik-Eigenschaften dieser Gitterstrukturpackung zufriedenstellend abzubilden. Die deutlich besten Modellierungsergebnisse wurden jedoch mit dem Billet und Schultes-Modell erzielt. Aus diesem Grund und da dieses Modell sowohl für Füllkörper als auch Packungen anwendbar ist, wurde es einer genaueren Betrachtung unterzogen. Durch eine relativ einfache, aber physikalisch begründete Modifikation des Billet und Schultes-Modells kann eine gute hydraulische Modellierung der Gitterstrukturpackung erreicht werden. Darüber hinaus wird Füllkörpern/Packungen gezeigt, zu einer dass diese Anpassung verbesserten auch Modellierbarkeit bei des weiteren nassen Druckverlustes führt und darüber hinaus der Gültigkeitsbereich des Billet und Schultes-Modells von 0,61 – 60 m3/(m2*h) auf bis zu 120 m3/(m2*h) für die Druckverlustberechnung erweitert werden kann. Biokatalytische Reaktivrektifikation: In-situ Beschichtung von strukturierten Packungen mit biokatalytischen Überzügen Rene Heils1, Steffen Kühn2, Andreas Liese2, Irina Smirnova1; 1 Institut für Thermische Verfahrenstechnik, 2Institut für Technische Biokatalyse, Technische Universität Hamburg-Harburg Die simultane Durchführung von Reaktion und Produktabtrennung in der Reaktivrektifikation ermöglicht sowohl eine Einsparung von Grundoperationen als auch eine Steigerung von Umsatz und Selektivität. Der Vorteil von integrativen Trennverfahren kann auch für enzymatische Reaktionen genutzt werden, insbesondere wenn eine Gleichgewichtslimitierung oder eine Produktinhibierung vorliegt. Die Herausforderung liegt dabei in der stabilen Einbringung des Biokatalysators in die Rektifikationskolonne. In vorangegangenen Arbeiten konnte bereits ein poröser Silika-basierter Überzug für strukturierte Packungen entwickelt werden 1, mit dem Lipasen erfolgreich in einer Reaktivrektifikationskolonne (s. Abb. 1). wurde Mit dann den eingebracht biokatalytischen erstmals Reaktivrektifikation eine in einer werden können Strukturpackungen diskontinuierlichen enantioselektive Enzymreaktion durchgeführt (Kinetische Racematspaltung von 2-(R/S)Pentanol). Durch Abzug des leichtsiedenen Produkts kann das Reaktionsgleichgewicht zugunsten des Abb. 1 - Packung mit biokatalytischem Überzug entstehenden chiralen Produkts einer Beschichtung verschoben werden. In dieser Arbeit Strukturpackungen sollen mit die Möglichkeiten biokatalytischem Überzug in-situ vorgestellt werden. der Bei Deaktivierung des Biokatalysators kann der enzymhaltige Überzug in der Kolonne abgewaschen und erneut aufgetragen, ohne die Packungen auszubauen. Trotz der Instabilität des Biokatalysators sollen so die Standzeiten der Kolonne erhöht und der kostenintensive Aus- und Einbau der Packungen vermieden werden. 1 Smirnova, I.; Liese, A.; Fieg, G.; Hilterhaus, L.; Bubenheim, P.; Sont, A.; 2011, Patent DE 102010 028788 A1 Systematische Herleitung von Anwendungsbereichen für reaktive Trennwandkolonnen M. Schröder, C. Ehlers, G. Fieg, Technische Universität Hamburg-Harburg, Hamburg/Deutschland Effizienzsteigerung durch Prozessintensivierung ist ein wichtiges Instrument im zunehmenden Wettbewerb der chemischen Industrie. Eine Möglichkeit zur Prozessintensivierung stellt die räumliche und zeitliche Integration von Grundoperationen in einem Apparat dar. Sowohl die Reaktivrektifikation (RR) als auch die Trennwandkolonne (TWK) sind Vertreter einer solchen Prozessintegration und ermöglichen erhebliche Einsparungen von Investitionen und Betriebskosten. Diese beiden Apparate können zur reaktiven Trennwandkolonne (RTWK) weiter zusammengefasst und somit weitere Einsparungen realisiert werden. Die (mehrfache) Überlagerung von Reaktions- und Trennoperationen resultiert in einem komplexen Prozessverhalten, welches das Prozessverständnis sowie die Ermittlung vorteilhafter Anwendungsbereiche erschweren. Insgesamt gehört die RTWK zu den noch wenig erforschten Apparaten in der Verfahrenstechnik. In der Literatur zur reaktiven Trennwandkolonne wurde bisher anhand einzelner Anwendungsbeispiele die Vorteilhaftigkeit dieses Verfahrens aufgezeigt. Dabei wurden jedoch nur sehr vage Hinweise veröffentlicht, in welchen konkreten Fällen die Anwendung dieses hochintegrierten Apparates in der industriellen Praxis Prozessalternativen prinzipiell erwarten Vorteile lässt. gegenüber Gegenstand der weniger hier integrierten präsentierten Untersuchungen ist daher eine systematische Herleitung von Anwendungsbereichen der RTWK auf Basis prinzipieller Betrachtungen und Erkenntnisse. Die so identifizierten Anwendungsbereiche werden anschließend mithilfe aufwendiger numerischer Untersuchungen mit weniger integrierten Alternativen verglichen und so validiert. Im Rahmen dieser Präsentation wird zunächst die Methodik zur systematischen Herleitung von Anwendungsbereichen der RTWK vorgestellt. Darüber hinaus wird eine so identifizierte Klasse von wirtschaftlich vorteilhaften Anwendungsfällen präsentiert. Abschließend wird die Validierung dieser Ergebnisse anhand einer umfangreichen Simulationsstudie gezeigt und diskutiert. A New Application of Dividing-Wall Columns for the Separation of Middle-boiling Impurities Dr. Luca Cameretti, Dr. Daniel Demicoli, Ralf Meier Evonik Industries AG, Marl, Germany Abstract There is growing interest in dividing-wall column (DWC) technology, which simplicity is at the heart of its appeal. Compared to conventional multicolumn arrangements a DWC can generate capital cost savings of up to 40% simply because less equipment is required. With their greater thermodynamic efficiency, dividing-wall columns can also reduce operating costs by around 30%.[1] The actual savings that can be realized will depend on the specific application. In general, the use of DWCs is recommended for multicomponent liquid mixtures that are to be separated into at least three fractions with high purity requirements. Further, DWCs are especially favorable for the separation of small quantities of light and heavy boilers from the main middle-boiling product.[2,3] In the presented case a modified DWC is applied to the distillation of a feed containing less than 1% of a middle-boiling impurity into a pure light-boiling and a pure heavy-boiling fraction, while the impurity is concentrated up to 35% in the side-stream. This allows a drastic reduction of product loss in the purge stream compared to the application of a simple side-stream column. Experiments at pilot scale have confirmed simulation results revealing a new opportunity to profit from the vertical wall inside the distillation column. Keywords Distillation, simulation dividing-wall column, multicomponent separation, 1. Introduction Albeit the fact that distillation is one of the most ancient techniques to separate multicomponent mixtures, research is still done in order to tease out the last percentages of cost saving potential. One big step was surely achieved by a better heat management. Although the idea of heat coupling is known at least since the 1930s, Petlyuk et al. widely introduced the separation of a three-component system in a coupled setup of prefractionator and main column in the mid 1960s.[2,4] Subsequent development by Kaibel[5] has led to the first technically used dividing-wall columns (DWC), where prefractionator and main column are combined in one shell. The principle and many variations of DWCs have already been dealt with in literature. Dejanović et al.[2] and Yildirim et al.[6] give excellent reviews on state-of-the-art and current activities. They and the cited authors show different setups containing one or more dividing walls positioned at the top, the bottom, or in the middle of the column in order to achieve pure products out of a multicomponent feed. All dividing-wall columns shown in the literature have at least one common packed section, i.e. a section without dividing wall. Further, in most of the examples given, the middleboiling fraction predominates the feed composition. In the presented case a pseudo three-component feed containing less than 1% of middle-boiler has to be separated into pure top product and pure bottom product. The middle-boiler has to be concentrated in the side-stream which will then be discarded. The challenge lies in the fact that top product and heavy-boiler are already narrow boiling (D ~ 1.4 – 2.4). Furthermore, the vapor pressure curves of light-boiler and middle-boiler are very close to each other (dT < 5K); the phase equilibrium reveals also an azeotropic behavior. 2. Results and discussion The following sections show the steps to the final design of the dividing-wall column suitable for the separation of small quantities of middle-boiler from a narrow-boiling mixture. For facilitating the reading abbreviations will be used for the light-boiler (LB), the middle-boiler (MB), and the heavy-boiler (HB), respectively. 2.1 The classical separation sequence There are three classical separation sequences for a mixture of three components: the direct, the indirect, and the sloppy configuration, respectively, shown in Figure 1. a) LB MB b) LB c) LB LB/MB 2 LB/MB/HB LB/MB/HB MB/HB 1 2 LB/MB/HB 1 LB/MB 2 1 MB 3 HB HB MB MB/HB HB Figure 1: a) direct, b) indirect, and c) sloppy distillation sequence for the separation of a threecomponent mixture LB/MB/HB. Reflux ratio Reflux ratio Due to the prevailing phase equilibria 99% mentioned above, the indirect path 11 20 99% appears to be more suitable at first sight. The theoretical number of 90% stages for column 1 and 2 were [7-9] 95% 95% 4 1 estimated using the DSTWU model. The typical correlation 35 70 50 100 nth nth between reflux ratio and number of Figure 2: Reflux ratio vs. theoretical number of stages for stages for different recovery rates of a) LB/HB separation with a recovery of 99% and 95% of LB are shown in Figure 2. The plots LB and 0.1% of HB in the distillate; b) in analogy for the make clear that especially for the separation of LB/MB. second separation of LB and MB in the second column a very high separating capacity is needed leading to high investment (size of the column) and operating expenses (reboiler and condenser duties). Another drawback is the loss of LB in the MB fraction. Hence, a classical separation sequence is economically not feasible. 2.2 Combination of side-stream columns The next evolution step is to use side-stream columns. The obvious advantage of a side-stream column is that it combines two columns in one shell, hence reducing investment costs. However, a single side-stream column in the presented case will only be able to concentrate the MB up to a decently high fraction in the side-stream leading to big apparatus dimensions, high reflux ratios – and hence high energy consumption – or high product loss. This is shown in Table 1. SSC DWC LHS / RHS 99,91% 99,88% MB 0,09% 0,09% HB < 1 ppm 0,02% LB 0,10% 0,10% MB 0,14% 0,14% HB 99,76% 99,76% mass fractions distillate LB sump side draw LB 50,87% 37,39% / 50,27% MB 22,80% 10,38% / 34,37% HB 26,26% 52,23% / 15,34% 0,68% 0,30% 10,6 3,6 / 164 recovery loss (LB and HB) reflux ratio condenser duty 100% 59% reboiler duty 100% 56% cross sectional area 100% 86% packing height 100% 100% column size Table 1: Calculations for single side-stream column (SSC) and DWC performed with a feed containing 0.3% MB. LHS and RHS mean left-hand side and right-hand side of the DWC, respectively. In order to minimize loss of LB and HB and and at the same time decrease energy consumption, in a first side-stream column LB and HB are separated as top and bottom products, respectively, while MB is concentrated inside the column. This is done at moderate reflux ratios, high enough to obtain pure LB. The MB peak is tapped by a side-stream which then will still contain a high amount of valuable LB and HB. This side-stream is fed to a second side-stream column which basically has the same separation task as the first one: it separates pure LB as top product, concentrates the MB in the side-stream, and returns HB without LB. The advantage, though, is that since the feed stream is much lower than for the first column, very high reflux ratios and hence higher MB concentrations can be achieved at low cost. The column arrangement is shown in Figure 3a. a) to vacuum system to vacuum system b) to vacuum system LB LB LB LB/MB/HB LB/ MB/HB LB/MB/HB LB/MB/HB HB LB/ MB/HB HB LB/MB/HB HB Figure 3: a) Setup of two side-stream columns for the removal of MB; b) Analogous setup designed as DWC with pump-around from the left-hand side to the right-hand side. 2.3 Dividing-wall column (DWC) The obtained combination of two side-stream columns can be further optimized, especially concerning investment costs. Since both columns produce high-purity products LB and HB, they can share just one condenser and one reboiler. In addition, they can be combined in a common shell. This leads to a dividing-wall column with a wall from the bottom to the top stage. The withdrawal from the first to the second side-stream column is then designed as a pump-around from the left-hand side (LHS) to the right-hand side (RHS) of the DWC. The setup is schematically shown in Figure 3b. 2.3.1 Experimental setup and simulation Optimization of the DWC design was performed by simulation with ASPEN® PLUS using the RADFRAC model. The model was validated by an experiment. Two packed side-stream columns in DN80 (LHS) and DN50 (RHS), respectively, and both equipped with condenser and reboiler were built up in the laboratory and connected as sketched in Figure 3a. The internal concentration profiles were sampled by withdrawing either liquid or vapor phase from the columns. All samples were analyzed by gas chromatography. The temperature profile was also measured. Albeit heat-loss was compensated by electric heat tracing, “wild” condensation inside the columns still occurred. The amount of heat loss was estimated measuring the amount of reflux at the bottom of the column and subtracting the feed stream and the reflux at the top of the column. Multiplying the resulting “wild” reflux with a mean heat of vaporization of 320 kJ/kg the heat loss was obtained for consideration in the simulation. The feed contained two middle-boiling components MB 1 (0.5 w%) and MB 2 (0.5 w%). In order to properly map the experiment into the model, for the LHS the (simulated) amount of distillate was varied until matching the measured LB concentration in the side-stream. For the RHS the mass balance was tuned until the simulated LB concentration in the sump corresponded to the measured one. The heat loss (W/stage) was adjusted until the simulated temperature profiles matched the measured ones. These adjustments are necessary since measurement of mass flux is affected by error which would distort the simulation results. Figure 5 demonstrates the good agreement between measured and calculated profiles for one chosen operating point (see Table 2 for parameters). Simulation overestimates the MB peak concentrations. However, calculated LB and HB concentrations are very well aligned with the analyzed samples. This indicates that phase equilibria are calculated well although thermodynamic properties of MB 1 and MB 2 are not modeled properly enough. The kinks in the LB and HB concentration profiles of the LHS column indicate a sub-optimal feed-stage location. Unfortunately, the withdrawal of the side-stream in the RHS is located too high. This is due to edificial constraints in the laboratory which did not allow positioning the withdrawal at the optimal position. Further, the bottom product contains too much LB. The mass balance of the RHS should have been shifted towards more distillate. This would also have led to a higher MB concentration in the side-stream of the RHS. Although operating point and withdrawal stages are not optimally chosen, the experiment clearly shows that the concept of using a sequence of two side-stream columns leads to an almost 20-fold concentration of MB in the RHS column compared to the feed. The ASPEN model could be fairly validated giving the possibility of in silico optimization of the DWC setup. DN 80 (LHS) feed Experiment ASPEN 2 kg/h 2 kg/h side-stream 1.12 kg/h 0.1 kg/h 1.16 kg/h 0.1 kg/h reflux 4.48 kg/h reflux ratio (at top) measured reflux 4 17.1 kg/h "w ild" reflux 10.62 kg/h disitllate heat loss ~ 944 W 3.86 16.5 kg/h stage 1-40: 450 W ~ 12.6 W/stage stage 41-75: 450 W DN 50 (RHS) Experiment ASPEN feed 0.1 kg/h 0.1 kg/h disitllate side-stream 0.04 kg/h 0.01 kg/h 0.04 kg/h 0.01 kg/h reflux 1.32 kg/h reflux ratio (at top) measured reflux 33 7.36 kg/h "w ild" reflux 5.94 kg/h heat loss 33 7.6 kg/h ~ 530 W stage 1-40: 400 W ~ 7 W/stage stage 41-75: 200 W Table 2: Parameters of the experimental setup and equivalent simulation. Figure 5: Simulated concentration profiles (solid lines: liquid phase; dashed lines: vapor phase) compared to analytics (markers) and temperature profiles of the LHS (above) and RHS (below) columns, respectively. Magenta: LB; green: MB 1; orange: MB 2; purple: HB. 2.3.2 Design of large-scale DWC Using the experimentally validated ASPEN model, a large-scale DWC for the separation of a feed as given in Table 1 (right column) was designed. Several case studies were performed to find the optimal pump-around flux, withdrawal, and feed position as well as the amount of purge stream in order to meet the expected top product quality while minimizing product loss. The acentric position of the dividingwall is given by the ratio of the LHS and RHS diameters with the constraint that the pressure drop on both sides must coincide. That the DWC has a clear advantage on the single side-stream column becomes clear in Table 1. Although combining two columns in one shell, the DWC can be designed with a cross-sectional area 14% smaller than a single side-stream column. Energy consumption is decreased by more than 40%. Product loss is halved because the middle-boiler is concentrated one and a half times more in the DWC than in the single side-stream column. Further the amount of purge is also decreased by almost 50%. 3. Conclusions A dividing-wall column (DWC) with a pump-around stream from the left-hand to the right-hand side represents a cost-saving alternative to a single side-stream column in order to remove small amounts (<1%) of middle-boiling impurities from a narrowboiling mixture. Experimental results of a pseudo three-component feed distillation in two coupled side-stream columns – the equivalent setup to the presented DWC – could be modeled with good accuracy providing the basis for further optimization of the column design. Following the approaches for the separation of mixtures containing more than three components in multi-partition wall DWCs (see e.g. ref. [10]) setups with several pumparounds from one partition to another could be the focus of further research. References 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 N. Asprion, G. Kaibel; Chem. Eng. Process, 49; 2010, pp. 139-146 I. Dejanović, Lj. Matijašević, Ž. Olujić; Chem. Eng. Process, 49; 2010, pp. 559-580 G. Niggemann, C. Hiller, G. Fieg; Ind. Eng. Chem. Res., 49; 2010, pp. 6566-6577 F.B. Petlyuk, V.M. Platonov, D.M. Slavinskij; Int. Chem. Eng., 5(3); 1965, pp. 555-561 G. Kaibel; Chem. Eng. Tech., 10(1); 1987, pp. 92-98 Ö. Yildirim, A.A. Kiss, E.Y. Kenig; Sep. Purif. Technol., 80; 2011, pp. 403-417 E.R. Gilliland; Ind. Eng. Chem., 32; 1940, pp. 1220-1223 A.J.V. Underwood; Trans. Inst. Chem. Eng., 10; 1932, pp. 112-158 F.W. Winn; Petrol. Refin., 37; 1958, pp. 216-218 I.J. Halvorsen, I. Dejanović, S. Skogestad, Ž. Olujić; Chem. Eng. Res. Des., 91; 2013, pp. 19541965 Einsatz von Trennwandkolonnen zur Effizienzsteigerung bestehender industrieller Prozesse Hilke-Marie Lorenz, Jens-Uwe Repke, TU Bergakademie Freiberg, Freiberg/Deutschland; Daniel Staak, Lonza Ltd. Visp/Schweiz Durch einen erhöhten Bedarf an fossilen Energieträgern und Rohstoffen gewinnen effiziente und nachhaltige Prozesse in der chemischen Industrie immer weiter an Bedeutung. Bei dem Design neuer Prozesse werden diese Aspekte bereits erfolgreich berücksichtigt, jedoch besitzen bestehende Prozesse noch nach wie vor ein hohes Optimierungspotenzial. Das Ziel der vorgestellten Arbeit ist die Steigerung der Effizienz eines bestehenden world-scale Prozesses in der chemischen Industrie. Der Prozess, in der neben einem Hauptprodukt zusätzlich drei Nebenprodukte gewonnen werden, setzt sich aus 18 Unit-Operations und mehr als 80 internen Strömen zusammen. Eine detaillierte Analyse dieses Prozesses zeigte ein hohes Optimierungspotenzial durch die Abtrennung eines unerwünschten Reaktionsprodukts auf. Eine besondere Herausforderung für die Umsetzung der Optimierungsaufgabe ist neben der geringen Konzentration dieses unerwünschten Reaktionsproduktes auch der gewählte Abtrennort, direkt hinter dem Hauptreaktor. Durch die hohe Anzahl an internen Recycleströmen hat eine Prozessmodifikation an dieser Stelle große Auswirkungen auf alle anderen Unit-Operations. Im Rahmen der Prozesssynthese ist ein Verfahren zur selektiven Abtrennung des unerwünschten Reaktionsproduktes thermodynamisches Stoffdatenmodell entwickelt der worden. Prozesslösung Hierfür in ist ein ChemcadTM implementiert und erfolgreich validiert worden. Bei dem resultierenden Verfahren handelt es sich um eine Hochdruck-Trennwandkolonne, mit nach unten durchgezogener Trennwand. Durch die direkte Einspeisung des dampfförmigen Feeds kann der Energiebedarf verglichen mit einem konventionellen Verfahren signifikant reduziert werden. Im Rahmen dieses Beitrages wird die Entwicklung des Prozesses, sowie der verwendete Lösungsansatz vorgestellt und diskutiert. Weiterhin werden die ermittelten Auswirkungen der Implementierung auf den Gesamtprozess betrachtet. Die geplante Implementierung der Trennwandkolonne verspricht eine Steigerung der Gesamteffizienz des industriellen Prozesses um mehr als 4 %. Windinduzierte Querschwingungen an Kolonnen Manfred Weber, INEOS Phenol GmbH, Gladbeck/Germany Jede zur Schwingung angeregte Destillationskolonne schwingt mit einer bestimmten Eigenfrequenz f C . Bei Wind entstehen nun an der Kolonne Wirbel durch Strömungsablösung. Diese treten mit einer bestimmten Frequenz abwechselnd zur rechten und linken Seite am Apparat auf und regen so die Kolonne zum Schwingen quer zur Windrichtung an. Diese Wirbelfrequenz f W steigt proportional mit der Windgeschwindigkeit an. Wenn die Wirbelfrequenz fW gerade gleich der Eigenfrequenz der Kolonne f C ist, wird der Apparat durch den Resonanzeffekt zu größeren Auslenkungen angeregt und ggfs. sofort beschädigt. Diese Schädigung kann aber auch erst nach Jahren auftreten, wenn die Kolonne bis dahin häufiger einem nur moderaten Resonanzeffekt ausgesetzt war. Es kann dann z. B. zu einem Ermüdungsbruch an der Schweißnaht am Übergang Standzarge/Kolonne kommen. In der Literatur gibt es nur relativ wenig Hinweise über derartige Schwingungen bzw. Schädigungen an Kolonnen /1-3/. Zumeist wird das Gefahrenpotenzial wegen des Dämpfungseffektes der Flüssigkeit auf Kolonnenböden als nur gering eingeschätzt /4/. Das gilt aber nicht für (reine) Packungskolonnen. Der Dauerfestigkeitsnachweis bzgl. windinduzierter Querschwingungen an Kolonnen kann nach DIN 4133 /5/ erfolgen. Die hierzu erforderlichen wichtigsten Parameter sind die Eigenfrequenz f C der Kolonne sowie der Dämpfungsfaktor G für die Kolonne. Im Vortrag wird zunächst eine vereinfachte Methode zur Abschätzung der Eigenfrequenz von Kolonnen f C vorgestellt. Das weitere Vorgehen anhand DIN 4133 wird dann anhand einiger Beispiele erläutert. Auch hierbei sollen vereinfachte Annahmen einen schnellen Quercheck für die Schwingungsanfälligkeit von Destillationskolonnen ermöglichen. Ein solcher Quercheck ist auch hilfreich bei der Überprüfung des Standsicherheitsnachweises des Kolonnenherstellers. /1/ /2/ /3/ /4/ /5/ C. E. Freese , „Vibrations of Vertical Pressure Vessels“, J. Eng. Ind., 1959, 77-86 C. Verwiebe, „Winderregte Querschwingungen von Kolonnen – Beispiele aus der Praxis“, 23. Konstruktionssymposium der DECHEMA e. V., Feb. 2007 R. Gawlick, „Auslegung von Kolonnen auf Querschwingungen“, 23. Konstruktionssymposium der DECHEMA e. V., Feb. 2007 E. Gaube, “ Schwingungen im Chemiebetrieb”, Chem.-Ing.-Tech. 51 (1979), Nr. 1, 14-22 DIN 4133 “Schornsteine aus Stahl”, November 1991 Zum zyklischen Betrieb von Rektifikationskolonnen Carsten Knösche, Jürgen Paschold, Steffen Bütehorn, Alexey Shilkin, BASF SE, Ludwigshafen/Deutschland Eine der frühsten Veröffentlichungen zum Betrieb von Destillationskolonnen im zyklischen Modus datiert auf das Jahr 1952 (Cannon, 1952). In den folgenden Jahrzehnten wurden zahlreiche theoretische wie auch experimentelle Untersuchungen zum Thema veröffentlicht. Einen vorläufigen Höhepunkt fand das Interesse Mitte der 1980-iger Jahre. Danach ebbte die Zahl der Veröffentlichungen vermutlich aufgrund von Problemen bei der praktischen Umsetzung des zyklischen Betriebs rasch ab. 2011 veröffentlichte Maleta et. al. (Maleta, 2011) eine neue Konstruktion eines zyklischen Stoffaustauschbodens, der eine vielversprechende, apparative Möglichkeit zur Realisierung des zyklischen Kolonnenbetriebs darstellt. Damit wurde das Interesse an dieser Technologie neu entfacht. Eine theoretische Analyse erlaubt es, Aussagen über die zu erwartende Trennleistung im zyklischen Betrieb zu machen. So sind geschlossene Lösungen für binäre Gemische und lineare Gleichgewichtslinien in der Literatur bekannt (z. B. Horn, 1967). Für beliebige Gleichgewichtslinien können die das Problem beschreibenden Gleichungen numerisch gelöst werden. Es zeigt sich, dass abhängig vom Stoffsystem und von den Betriebsbedingungen signifikante Trennleistungssteigerungen realisiert werden können. In diesem Beitrag werden die theoretischen Vorhersagen zur Trennleistung zyklischer Böden mit eigenen experimentellen Ergebnissen verglichen und diskutiert. Außerdem werden grundsätzliche Aspekte zum Energiebedarf Dimensionierung derartiger Kolonnen näher beleuchtet. Literatur: Cannon, M. R., Oil Gas J. 51, 1952 Maleta et. al., Chemical Engineering and Processing, 50, 2011 Horn, Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 6, 1, 1967 und zur Erfassung von Entrainment in Cold-Flow Versuchen mittels optischer Messtechnik M. Lichti, H.-J. Bart, Thermische Verfahrenstechnik, TU Kaiserslautern, Kaiserslautern Bei Destillationskolonnen verwendet man Tropfenabscheider am Kopf der Kolonne um Entrainment und damit Verschlechterung der Produktqualität zu verhindern. Im Einsatz sind dazu verschiedene Abscheidertypen (z.B. Gestrick- oder Lammellenabscheider) und deren Auslegung basiert auf Anzahl der Tropfen und deren Größe, was auf Abschätzungen beruht. Um eine optimale Prozessführung zu ermöglichen, ist daher die Quantifizierung des Tropfenmitrisses sowohl an Einbauten als auch an Abscheidern von wesentlicher Bedeutung (Schultes, 2014). In diesem Beitrag werden 2 Ansätze für die Erfassung von Entrainment in Destillationskolonnen mit minimalinvasiven Messtechniken präsentiert. Die Versuche werden aus Sicherheitsgründen zunächst in einer Cold-Flow Kolonne (DN300) mit Füllkörperschüttungen durchgeführt. Erste Ergebnisse mit einer optischen Sonde werden mit Daten der Laser (Phasen) Doppler Anemometrie (LDA/PDA) verglichen und Limits und Einsatzpotentiale diskutiert. Fig. 1: Aufnahme der Tropfengrößenverteilung Fig. 2: Cold-Flow Prüfstand mit LDA/PDA Messung Quelle: Schultes, M. (2014), The Impact of Tower Internals on Packing Performance. Chem. Ing. Techn., 86: 658–665. Gittersensorbasierte Visualisierung von Verweilzeit- und Geschwindigkeitsverteilungen auf einem Siebboden Markus Schubert1, Michael Piechotta1, Matthias Beyer1, Uwe Hampel1,2 1 Institut für Fluiddynamik, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Deutschland 2 Institut für Energietechnik, Technische Universität Dresden, Deutschland In vielen Trennkolonnen werden Siebböden eingesetzt, bei der der Stoffaustausch zwischen Dampf- und Flüssigphase in der Sprudelschicht erfolgt. Eine ungleichmäßige Überströmung des Bodens, z.B. aufgrund von Wölbungen oder Neigungen des Bodens sowie durch ungleichmäßige Überströmung der Wehre, kann dabei die Trennwirkung deutlich verschlechtern. Nach Bell und Solari [AIChE J., 20, 4, 688695, 1974] kann anstatt aufwendiger Stoffanalysen anhand des Strömungsfelds der Flüssigphase auf die Trennleistung geschlossen werden. In diesem Beitrag wird eine neue Messmethode zur Ermittlung dieses Strömungsfeldes vorgestellt. Diese basiert auf der hochaufgelösten Analyse der Wehr-zu-Wehr-Überströmung des Bodens mit einem Flüssigkeitstracer anhand eines Leitfähigkeitsgittersensors (Abb. 1). Abb. 1: a) Gittersensorinstallation auf dem Siebboden, b) visualisierte Tracerströmung. Aus den Tracer-Versuchen lassen sich charakteristische Strömungsparameter, wie die lokale Flüssigkeitsverweilzeit und die Wehr-zu-Wehr-Strömungsgeschwindigkeit extrahieren (Abb 2). 0.5 Abb. 2: a) Verweilzeitverteilung und b) Wehr-zu-Wehr Strömungsgeschwindigkeit (L = 3000 L/h, F = 0.7 Pa ). Im Rahmen der Studie wurden unterschiedliche hydraulische Belastungen und Wehranordnungen untersucht und die Überströmung visualisiert und charakterisiert. Poster Kinetische Untersuchungen zur Reaktivextraktion im membrangestützten Mikrokontaktor S. Willersinn, H.-J. Bart, TU Kaiserslautern, Deutschland Ein mikrostrukturiertes Apparatedesign zur Quantifizierung des reaktiven Stofftransportes der Flüssig/Flüssig-Extraktion von Metallionen bietet einige Vorteile. Die vorherrschenden Längenskalen bedingen kürzere Diffusionswege, ein laminares Strömungsregime und eine höhere Kontaktfläche pro Volumeneinheit. Zusätzlich kann durch einen dispersionsfreien Phasenkontakt die Komplexität bei der Modellierung klassischer Extraktionsapparate (Mixer-Settler oder Kolonnen) wie axiale Dispersion, Koaleszenz/-Zerfallsphänomene, unbekannte Phasengrenzfläche oder Phasentrennung deutlich reduziert werden. In der vorliegenden Forschungsarbeit erfolgt der Phasenkontakt durch unterschiedliche Benetzungseigenschaften der wässrigen und organischen Phase an den Porenrändern einer metallischen Trennstruktur im Mikrokanal. Hierzu werden Metallgewebe (Köpertressengewebe) und poröse Sintermetallplatten mit Porendurchmessern von ca. 5 μm und Porositäten von 0,3 – 0,6 verwendet. Die hydrodynamischen Betriebsgrenzen sind durch den transmembranen Druck (Laplace-Druck) determiniert, wobei ein leichter Überdruck der nicht-benetzenden Phase (~ 500 Pa) notwendig ist, um ein Ausbluten zu verhindern. Der Gesamtstofftransportkoeffizient des reaktiven Stofftransportes setzt sich nach dem Widerstand-in-Serie-Modell aus diffusiven Filmwiderständen, dem Membranwiderstand und einem Reaktionswiderstand an der Phasengrenzfläche zusammen. Der Membranwiderstand wird experimentell durch die Wilson-PlotMethode [1] bestimmt. Durch gezielte Manipulation der Versuchsparameter wie Strömungsgeschwindigkeit, Kanalgeometrie lassen gemischtkontrollierte) Ionentauscherkonzentration, sich verschiedene Extraktionsregime (diffusions-, ansteuern und pH-Wert und reaktions- oder Einzelwiderstände quantifizieren. Es werden verschiedene metallionenhaltige Testsysteme (Zn, Ge) untersucht, um so die intrinsisch kinetischen Phasengrenzfläche der Reaktivextraktion abzubilden. [1] Wilson (1915), Trans. ASME 37. Transportvorgänge an der Dispersionsfreie Zweiphasenströmung der Flüssig/FlüssigExtraktion im Mikrokanal S. Willersinn, H.-J. Bart, TU Kaiserslautern, Deutschland Bei den klassischen Apparaten der Flüssig/Flüssig-Extraktion (Mixer-Settler oder Kolonnen) findet der Stoffaustausch durch Dispergierung einer Phase in eine kontinuierliche andere Phase statt. Um einige Nachteile hierbei zu überwinden (z.B. Fluten, Entrainment, unbekannte Phasengrenzfläche, Phasentrennung) hat sich eine dispersionsfreie Kontaktierung in Membrankontaktoren bewährt [1]. Der Phasenkontakt findet hierbei je nach Benetzungseigenschaften an den Porenrändern einer porösen Trennmembran statt. Zusätzlich führt die Mikrostrukturierung der Kanäle (hydraulischer Durchmesser 400 – 100 μm) durch ein höheres Oberflächenzu-Volumen Verhältnis und kürzeren Diffusionswegen zu einer Prozess- intensivierung. Durch ein laminares Strömungsregime (Re < 10) und eine enge Verweilzeitverteilung kann die nötige Verweilzeit reaktiver Stofftransportprozesse exakt eingestellt werden. Als poröse Trennstrukturen werden Metallgewebe (z.B. Köpertressengewebe) oder poröse Sintermetallplatten mit Porendurchmessern von ca. 5 μm verwendet. Um ein Ausbluten der benetzenden Phase zu verhindern, ist ein transmembraner Druck (Laplace-Druck) notwendig; ist dieser allerdings zu hoch, kommt es zum Durchbruch der nicht-benetzenden Phase. Zur Validierung der Hydrodynamik der Mikrokanalströmung wurden experimentelle Untersuchungen bezüglich des Druckverlustes verschiedener Kanalgeometrien und des Durchbruchdruckes verschiedener Metallstrukturen durchgeführt, um so Betriebsdruckbereiche zu ermitteln. Die bei der laminaren Strömung entstehenden Totzonen und Bachbildung im Mikrokanal konnten auch durch numerische Untersuchungen bestätigt werden (siehe Abb.). Abb. 1: Bachbildung und Totzonen, links: Simulation mit ANSYS FLUENT, rechts: Experiment mit Rhodamin B als Tracer [1] Gabelman & Hwang (1999), J. Membr. Sci. 159. Untersuchungen zur pH-abhängigen Abtrennung von Indium und Germanium aus wässrigen Lösungen mit NF-Membranen Arite Werner, Roland Haseneder, Jens-Uwe Repke, TU Bergakademie Freiberg, 09599 Freiberg/Deutschland Aufgrund der strategischen Bedeutung der Wertstoffe Indium und Germanium sowie dem Wissen um eine zunehmende Rohstoffverknappung hat das an der TU BAF gegründete „Biohydrometallurgische Zentrum für strategische Elemente“ (BHMZ) zum Ziel, mithilfe von Mikroorganismen die Zielelemente in Lösung zu bringen, selektiv abzutrennen und durch Elektrolyse zu gewinnen. Die hier vorgestellte Forschungsarbeit fokussiert dabei auf die selektive Abtrennung der beiden Zielelemente aus einer komplex zusammengesetzten Lösungsmatrix mittels Membranverfahren in einem hybriden Trennprozess. Indium und Germanium sind vor allem in sulfidischen Erzen (z.B. Sphalerit, ZnS) angereichert [1], weshalb die entstehenden Laugungslösungen hohe Sulfatkonzentrationen aufweisen. Weiterhin enthalten die Laugungslösungen große Mengen Zink, Eisen und Kupfer jedoch nur sehr gering konzentriertes Trenncharakteristik grundlegendes für Indium Indium und Membranscreening Nanofiltrationsmembranen und Germanium. Germanium mit (NF-Membranen) zu Um ermitteln, verschiedenen mit die reinen generelle wurde ein polymeren Indium/Germanium- Lösungen in einer Dead-End-Zelle durchgeführt. Da die Element-Spezies außer von den vorhandenen Begleitionen auch stark vom pH-Wert abhängig sind, wurden systematische Parametervariationen durchgeführt, da hierzu kaum Literaturdaten existieren [2]. Weiterhin beeinflusst der pH-Wert auch die Oberflächenladung polymerer NF-Membranen, was ebenfalls einen Einfluss auf das Trennverhalten haben kann. Die Ergebnisse zeigen, dass eine selektive Trennung von Indium und Germanium mit NF-Membranen möglich ist. Zudem werden der Einfluss der Speziationen sowie der Membranladung deutlich sichtbar. Im nächsten Schritt wird die Komplexität der Lösung durch Zugabe konkurrierender Hauptkomponenten erhöht, um die Auswirkung auf das Trennverhalten für Indium und Germanium zu analysieren. Parallel hierzu wird entsprechendes Stofftransportmodell entwickelt. [1] Cook, N. J., Ciobanu, C. L., Pring, A., Skinner, W., Shimizu, M., Danyushevsky, L., Saini-Eidukat, B., and Melcher, F. 2009. Trace and minor elements in sphalerite: A LA-ICPMS study. Geochimica et Cosmochimica Acta 73, 16, 4761–4791. [2] Wood, S. A. and Samson, I. M. 2006. The aqueous geochemistry of gallium, germanium, indium and scandium. Ore Geology Reviews 28, 1, 57–102. Modellierung von stofftransportlimitierten Reaktionen im mit Mehrphasenströmung betriebenen Strahlzonen-Schlaufenreaktor Dipl.-Wi.-Ing. S. Heithoff, Prof.-Dr.-Ing. N. Räbiger Institut für Umweltverfahrenstechnik der Universität Bremen In der Industrie werden im Rahmen der Gas-Flüssigreaktionen strahlangetriebene Schlaufenreaktoren umfangreich eingesetzt, da diese den Vorteil bieten, intensive Vermischung, hohe Gasgehalte und damit große Stoffaustauschflächen bei verhältnismäßig geringem Energieeintrag und einfacher Bauweise zu ermöglichen u.a. [WAC85], [RÄB88]. Bisher dominieren zur Beschreibung der Konzentrations-, Impuls- und Mischzeitverteilung in den Reaktoren meist integrale, orts- und zeitgemittelte Modelle, wie [STE89], [CAM01]. Der Umsatz, die Selektivität und die Ausbeute einer Reaktion werden u.a. durch die Vermischungscharakteristik im Reaktionsraum bestimmt. Die konvektive Vermischung der Flüssigphase ermöglicht den Molekültransport bis zur Grenzschicht. Innerhalb der Grenzschicht findet der Stofftransport auf Basis von Diffusion statt, welche im Vergleich zum konvektiven Transport wesentlich langsamer abläuft. Bei stofftransportlimitierten Reaktionen bestimmt die Grenzschichtdicke somit die Umsatzrate. Die weit verbreitete integrale Modellierung eines Reaktorsystems basiert auf Mittelwerten und damit auf der Annahme einer homogenen Grenzschichtdickenverteilung im gesamten System. Diese vereinfachende Annahme verbietet eine effizienzsteigernde Prozessoptimierung, da die transportbedingte Limitierung bei schnellen chemischen Reaktionen unbekannt ist. Wiedemann [WIE11] modelliert die Umsatzrate und Selektivität von stofftransportlimitierten Reaktionen in dem unter praxisrelevanten Bedingungen mit Einphasenströmung betriebenen Strahlzonen-Schlaufenreaktor. Er erweitert die klassische Damköhlerzahl um die Energiedissipationsdichteverteilung und integriert somit die auftretende Inhomogenität der Vermischung auf der Mikroskala des Realsystems in die Modellierung. Die Anwendbarkeit der vermischungsmaskierten Kinetik konnte in Bromierungs- und Hydrierungsreaktionen erfolgreich nachgewiesen werden. Im Rahmen des Vortrags wird die Erweiterung des Ansatzes von Wiedemann auf Zweiphasenströmung aufgezeigt. Es wird ein partielles Vorgehen zur Modellierung der Transportmechanismen angewendet, in dem der Treibstrahlreaktor in sog. Mischungs- und Strömungszonen eingeteilt wird. Über radiale und axiale Geschwindigkeits- sowie Sauerstoffkonzentrationsprofile wurde der Einfluss der lokalen Hydrodynamik auf den volumetrischen Stoffübergangskoeffizient quantifiziert. Ein klarer Zusammenhang beider Größen kann aufgezeigt werden, wodurch der Grundstein für die Modellierung von schnellen chemischen Reaktionen in mit Mehrphasenströmung betriebenen Reaktoren gelegt wurde. [CAM01] Camarasa E., Carvalho E., Meleiro L., Maciel Filho R., Domingues A., Wild G. (2001) Chemical Engineering and Processing 40, S. 121 - 128. [RÄB88] Räbiger (1988). TÜV—Rheinland-Verlag, Köln. [STE89] Sternad, W., Blenke, H. (1989) Chemie Ingenieur Technik 61, S. 479 – 482. [WAC85] Wachsmann, U., Räbiger, N., Vogelpohl, A. (1985) Chemie Ingenieur Technik 57, S.346-347. [WIE11] Wiedemann, M. (2011) Dissertation Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen. Charakterisierung virus-rückhaltender Membranen mittels Filtration von Goldnanopartikeln und flüssig-flüssig Porometrie Peter Kosiol a,b, Björn Hansmann a, Volkmar Thom a, Mathias Ulbricht b a b Sartorius Stedim Biotech GmbH, Göttingen/Deutschland Universität Duisburg-Essen, Technische Chemie II, Essen/Deutschland Virus-rückhaltende Membranen tragen im Downstreamprocessing durch robuste und effiziente Entfernung von Viren mittels Größenausschluss wesentlich dazu bei die Sicherheit von biopharmazeutischen Wirkstoffen zu gewährleisten. Um universell Viren zurückhalten zu können, müssen diese Membranen quantitativen Rückhalt (LRV > 4) für Parvoviren zeigen, welche kaum größer als die Produktproteine sind. Zum Erreichen der benötigten hohen Selektivität der Membran sind eine optimale nominelle Porengröße sowie eine enge Porengrößenverteilung notwendig. Weitere wichtige Eigenschaften von virus-rückhaltenden Membranen sind ihre Permeabilität und Filtrationskapazität. Diese sind unter anderem abhängig von strukturellen Eigenschaften der Membran, wie dem Porengrößengradienten, der Dicke der rückhaltenden Schicht sowie der Dicke der Supportschicht. Goldnanopartikel sind sphärische, rigide Partikel mit enger Größenverteilung, welche kommerziell in verschiedenen Größen erhältlich sind. Filtrationsexperimente mit diesen Partikeln liefern eine große Bandbreite an Informationen über die verwendeten Membranen. Aus den Rückhalten der verschiedenen Partikelgrößen kann auf die Porengrößen und -verteilungen geschlossen werden. Die Analyse der Position der in der Membran zurückgehaltenen Goldnanopartikel ermöglicht Rückschlüsse auf die Membransymmetrie. Als weitere Methode zur Bestimmung von Porengrößen und -verteilungen wurde die flüssig-flüssig Porometrie (LLDP) eingesetzt. Diese ermöglicht es Membranen mit Porendurchmessern im unteren Nanometerbereich zu untersuchen, welche sich mit der kommerziell verbreiteten und viel genutzten gas-flüssig Porometrie nicht analysieren lassen. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene kommerziell erhältliche virusrückhaltende Membranen mittels Filtration von Goldnanopartikeln und LLDP untersucht. Einfluss der Polymer-Nanoschichtarchitektur auf die Bindung von Modellproteinen an Ionentauscher-Membranadsorber J. Schwellenbach1, B. Sölter1, F. Taft1, L. Villain1, J. Strube2 1 Sartorius Stedim Biotech GmbH, 37079 Göttingen/Germany 2 Institute for Separation and Process Technology, Clausthal University of Technology, 38678 Clausthal-Zellerfeld/Germany Abstract Die Immobilisierung einer Polymer-Nanoschicht auf einem Trägermaterial ist eine effektive Möglichkeit, um die Bindungskapazität chromatographischer Medien zu steigern. Oberflächengebundene Polymerketten mit adsorptiven Funktionalitäten sind in der Lage, eine 3D-Struktur auf der Oberfläche zu bilden und ermöglichen die Bindung von Zielmolekülen in mehreren Schichten. Besonders für Membranadsorber mit einer geringeren spezifischen Oberfläche im Vergleich zu hochporösen Resins ist ein Verständnis des Einflusses der Architektur der adsorptiven Nanoschicht, sowie deren Optimierung, essentiell, um hohe Bindungskapazitäten zu erreichen. Mittels kontrollierter oberflächengebundener Polymerisation auf Cellulosemembranen ließen sich wichtige Strukturparameter der Polymer-Nanoschicht steuern. Dazu zählen die Dichte und Länge der aufgebrachten Polymerketten, sowie in einem weiteren Reaktionsschritt die Dichte der Ionentauscherliganden. Die Bindungskapazität des so hergestellten Membranadsorbers wurde für Modellproteine unterschiedlicher hydrodynamischer Volumina und Ladung ermittelt. Aus der Korrelation von Bindungskapazität, ionischer Kapazität und hydrodynamischem Volumen in Abhängigkeit der jeweiligen Polymer-Nanoschichtstruktur ließ sich ein Modell ableiten, dass die Bindungsverhältnisse auf Basis weniger Parameter beschreibt. Neben Ligandenzugänglichkeit Bindungsvolumen den und eingeführt, in der Literatur Elektroneutralität, welches das bekannten wurde Volumen als Größen, neue beschreibt, wie Größe das dass den Modellproteinen innerhalb der Polymerschicht zur Bindung zur Verfügung steht. Es konnte gezeigt werden, dass eine Optimierung der Strukturparameter der PolymerNanoschicht zu einer Vergrößerung des Bindungsvolumens führt und somit eine optimale Zugänglichkeit und Ausnutzung der Ionentauscherliganden erlaubt. Graphical Abstract Membranprozesse für die H 2 -Rückgewinnung aus fossil befeuerten Kraftwerken und artverwandten Verfahren Maria Grätz, Sergey Shishatskiy, Torsten Brinkmann, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Institut für Polymerforschung, Geesthacht/Deutschland Die Abscheidung von CO 2 aus Rauchgasen fossil befeuerter Kraftwerken ist im Fokus intensiver Forschungsaktivitäten [1,2]. Membranverfahren zeigen dabei großes Potential als Alternative zu herkömmlichen Verfahren zur CO 2 -Abtrennung. Besonders im Post-Combustion-Bereich liegt das Hauptaugenmerk auf der Verwendung von Polymermembranen [3], aber auch andere Trennaufgaben in Stromerzeugungsprozessen können mit ihnen gelöst werden, wie z.B. Die H 2 /CO 2 Trennung nach der Biomassevergasung [4] oder einem Wasser-Gas-ShiftMembranreaktor [5]. Prozesssimulation in Aspen Custom Modeler® zeigen für diese Prozesse unter Verwendung von temperaturbeständigen Polymeren wie z.B. Matrimid® sehr vielversprechende Ergebnisse. Für dieses Polyimid wird eine starke Erhöhung der H 2 /CO 2 -Selektivität und der H 2 -Permeanz mit steigenden Temperaturen erwartet. Für die H 2 -Aufreinigung mittels Membranverfahren nach der Biomassevergasung bedeuten diese guten Trenneigenschaften bei hohen Temperaturen z.B. eine Einsparung der Membranfläche um bis zu 80% und der Kompressionsleistung um bis zu 90%, im Vergleich zu Membranverfahren bei niedrigen Temperaturen. Dabei können Rückgewinnungsraten von mehr als 80% und Reinheiten von §HUUHLFKWZHUGHQ Um die vielversprechenden Simulationsergebnisse experimentell zu überprüfen wurde ein neuer Teststand gebaut, mit dem Permeationsversuche für feuchte Mischgase (relative Feuchten bis 100 %) bei Temperaturen bis 200°C und Drücken bis 35 bar durchgeführt werden können. Erste Ergebnisse werden vorgestellt. Referenzen [1] E. Favre, J. Membr. Sci., 294, 50 (2007). [2] K. Ramasubramanian, Y. Zhao, AIChE J, 59, 1033 (2013). [3] T. C. Merkel, H. Lin, X. Wie, R. Baker, J. Membr. Sci., 359, 126 (2010). [4] A. Makaruk, M. Miltner, M. Harasek, Appl. Therm. Eng., 43, 134 (2012). [5] S. Schiebahn, E. Riensche, D. Stolten, Chem. Eng. Technol., 35, 555 (2012) Title: Effects of process parameters on Mycoplasma retention during membrane filtration Authors: Alexander Hellinga,b, DŝůĂŶWŽůĂŬŽǀŝēb, Volkmar Thoma a Sartorius Stedim Biotech GmbH, Göttingen, Germany b Slovak University of Technology, Faculty of Chemical and Food Technology, Bratislava, Slovakia Contact: [email protected] Poster abstract: Size exclusion is the pre-dominant mechanism for particle retention in most membrane based filtration processes. This is mostly true for colloidal particles (e.g. viruses) and very often true for microscopic particles (e.g. bacteria). This work demonstrates, how operating parameters, like applied transmembrane-pressure or temperature can significantly impact the retentive performance of a Mycoplasma retentive filter membrane. In these filtration studies commercially available 0.1 μm rated and single layer flat sheet model membranes, exhibiting levels of retention that can easily be detected and differentiated, were used. In addition, we have characterized the physical properties of the respective microorganisms with different direct characterization techniques, like SEM and DLS for particle size distribution as well as AFM for ductility measurements. To further characterize particle properties, filter cakes were generated for purified mycoplasma and similarly sized latex beads and the respective hydrodynamic cake resistance as a function of operating pressure and temperature was evaluated. The results show, that the observed retention data can be rationalized and correlated to the ductility of the target particles. It depends on the one hand on the temperature due to the biomembrane’s phase transition. A higher applied pressure will on the other hand lead to a larger deformation and penetration. It could be shown, that process validation is crucial for selected operating parameters. Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik und Membrantechnik Jahrestreffen, 26. - 27.März 2015, Maritim Hotel Bremen Posterbeitrag „Erste Praxiserfahrungen mit der organophilen Nanofiltration im Applikationszentrum Membrantechnik des Fraunhofer IKTS“ Der Hermsdorfer Institutsteil des Fraunhofer IKTS befasst sich unter anderem mit der Entwicklung, Testung und Erprobung anorganischer Membranen für verschiedenste Trennaufgaben in flüssigen und gasförmigen Medien. Ein Entwicklungsinteresse liegt seit einiger Zeit auf der organophilen Nanofiltrationsmembran. Für die Entwicklung und Testung der Membranen wurden der Aufbau und die Inbetriebnahme eines Ex-Containers, welcher zwei Filtrationsanlagen zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen (nach Richtlinie 94/9/EG) zulässt, notwendig. Hintergrund: Bei Produktionsprozessen in der Chemieindustrie und Pharmazie können verunreinigte, organische Lösungsmittel anfallen, die für eine Wiederverwendung gereinigt werden müssen. Weiterhin wird eine Rückgewinnung von Homogenkatalysatoren auf Grund ihrer Knappheit und des hohen Preises der Edelmetalle immer interessanter. Beide Prozesse werden derzeit über Destillationsverfahren umgesetzt. Da diese Verfahren mit hohen Energiekosten verbunden sind, werden ökologisch und ökonomisch nachhaltige Alternativen benötigt. Als eine Verfahrensalternative oder Ergänzung kann eine Filtrationsstufe mit organophilen Nanofiltrationsmembranen verwendet werden. Dies ermöglicht die Rückgewinnung eines Großteiles der Wertstoffe über ein druckgetriebenes, physikalisches Verfahren und somit ohne externe Heiz-/ Kühlenergie. Mit Hilfe von zwei Versuchsanlagen (VSA) in einem mobilen Container, der den Anforderungen des Explosionsschutzes genügt, können Trennversuche mit Membranentwicklungsmustern oder mit kommerziellen Membranen durchgeführt und Verfahren entwickelt werden. In ersten Testreihen wurden keramische NF-Membranen unterschiedlicher Ausführung hinsichtlich ihres Flussverhaltens in unterschiedlichen Lösungsmittel als auch bezüglich ihres Rückhaltes untersucht. Die Ergebnisse sollen bewertet werden und Rückschlüsse auf einen möglichen Einsatz in der chemischen Industrie zulassen. Ansprechpartner: Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme, IKTS, Institutsteil Hermsdorf, Applikationszentrum Membrantechnik Christian Pflieger Nougat-Allee 3, 98574 Schmalkalden, Germany Telefon +49 3683 401994 Fax +49 351 2554 398 mailto:[email protected] http://www.ikts.fraunhofer.de Preparation of PEO-b-PMMA Diblock Copolymers as Additive for PVDF Ultrafiltration Membranes Jens Meyer and Mathias Ulbricht, Lehrstuhl für Technische Chemie II, Universität Duisburg-Essen, 45117 Essen, Germany, E-mail: [email protected] In this work, PEO-b-PMMA Diblock Copolymers were used as hydrophilic additive in PVDF Ultrafiltration Membranes in order to increase the hydrophilicity of the Membrane and thereby decrease biofouling. PEO-b-PMMA Diblock Copolymers have been synthesized successfully via a convenient ATRP approach, starting from commercially available Poly(ethylene glycol) methyl ether. A PEO macroinitiator can be obtained from this polymer by the reaction with 2-bromoisobutyryl bromide as described in the literature [1]. Poly(ethylene glycol) methyl ether is available in different molar weights between 350 and 20,000 g·mol-1 which enables a broad range of molar weights and block ratios of the Copolymer. Until now, the main focus was on Copolymers with a 5,000 g·mol-1 PEO block and an overall molecular weight between 30,000 and 45,000 g·mol-1. The Diblock Copolymers have been tested as an additive in casting solutions for PVDF Ultrafiltration Membranes that have earlier been developed in our workgroup. The membranes were prepared on glass plates using the nonsolvent induced phase separation process (NIPS) with water as the coagulation medium. The addition of 1.0 wt% of the Copolymer to these casting solutions lead to a 60 % higher water permeability and a decrease of BSA rejection from >90 % to 60 %. This can be explained as the result of a higher average pore diameter. In further experiments, small amounts of different metal salts were added to the casting solutions. This was done in order to complexe the PEO block of the copolymer and induce microphaseseparation, which could increase the porosity of the membrane. It was shown that the permeability and rejection properties were influenced by the type of salt used in the casting solution. The best results were obtained with about 0.4 wt% CuCl, which resulted in a 89 % higher water permeability (compared to the base membrane without Copolymer) at a BSA rejection of >90 %. Evidence for the existence of a Copolymer-Metal complex was also found in rheological and DLS analyses of copolymer solutions. In later parts of this work, the same Copolymer with a higher molar mass will be used as novel Membrane Polymer. This could lead to self-assembling structures, which have already been reported for different Diblock Copolymers in the literature [2]. [1] J. Huang, C. Tang et al., Macromol. Chem. Phys., 2007, 208, 2312-2320. [2] S. P. Nunes, A. Car, Ind. Eng. Chem. Res. 2013í Preparation of ultrafiltration membranes with diblock copolymer additives for low-fouling properties Miao Li, Mathias Ulbricht Lehrstuhl für Technische Chemie II, Universität Duisburg-Essen, 45141, Germany [email protected] Ultrafiltration (UF) membrane technology can provide important contributions to ease the intensifying “worldwide water scarcity”, One new target is reliable size-based removal of viruses in combination with tailored specific adsorption for micro-pollutants. However, membrane fouling imposes obvious negative impact on UF performance and lifetime[1]. For improvement of anti-fouling ability of poly-vinylidenefluoride (PVDF) UF membrane, diblock copolymer PMMA-b-PSPE was designed and prepared by atom-transfer radical-polymerization. Poly (methylmethacrylate) (PMMA) and poly(N-(2-methacryloyloxyethyl)-N,N-dimethyl-N-(3-sulfopropyl) ammonium betaine) (PSPE) were chosen as anchor block and functional block, respectively based on their excellent compatibility with PVDF and powerful hydrophilicity[2]. Several prepared types of PMMA-b-PSPE copolymer additives with different size of PSPE block were introduced into PVDF membranes by non-solvent induced phase separation. Additionally, PVP was combined with PMMA-b-PSPE to improve performance of PVDF membrane further. Analysis and discussion about characterizations will be presented. The research has received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013), grant agreement no.: 280595. References [1] M. Ulbricht, Polymer 2006, 47, 2217-2246. [2] Q. Shao, S. Jiang, J. Phys. Chem. B 2014, 118, 7630-7637. Untersuchungen zum Holdup von Anstaupackungen S. Flechsig, Ö. Yildirim, E. Y. Kenig Universität Paderborn, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Paderborn/Deutschland Ausgehend von einem hohen Energiebedarf thermischer Trennverfahren resultiert die Forderung an die Forschung einen schonenden Umgang mit den vorhandenen Ressourcen durch Effizienzsteigerungen zu verwirklichen. Ein wesentliches Entwicklungspotential weisen die Einbauten von Trennkolonnen auf, welche die Fluiddynamik und den Stofftransport entscheidend beeinflussen. Ein Ansatz zur Intensivierung des Stofftransports stellt die Entwicklung von Anstaupackungen (AP) dar [1]. Diese bestehen aus zwei alternierenden Lagen strukturierter Packungen mit unterschiedlicher spezifischer Oberfläche. Die untere Anstaulage weist eine geringere Lastgrenze auf als die darüber angeordnete Abscheidelage. AP werden üblicherweise zwischen den Flutpunkten der beiden Lagen betrieben, weshalb ein heterogenes Strömungsmuster entsteht. Dabei bildet sich oberhalb der gefluteten Anstaulage eine Sprudelschicht, die durch eine intensive Vermischung der Phasen geprägt ist und eine hohe Trennleistung erzielt. In dieser Arbeit werden eigens generierte experimentelle Daten und Simulationsergebnisse zur Fluiddynamik von AP gegenübergestellt. Die experimentellen Untersuchungen zum Holdup wurden in einer DN 300 Kolonne mit dem Testsystem Wasser/Luft unter Variation der Fluidbelastungen erstmalig für verschiedene APKombinationen der neueren Generation durchgeführt. In Anlehnung an die unterschiedlichen Strömungsmuster wird eine Erweiterung des bestehenden Fluiddynamikmodells von AP [2] präsentiert, indem ein additiver Ansatz entsprechend der entlang eines AP-Elements vorliegenden Strömungsformen verfolgt wird. Der zuverlässigen Bestimmung des Holdups wird in Bezug auf die Modellierung eine besondere Bedeutung beigemessen, da sowohl hydraulische Parameter, wie z.B. die Lastgrenzen und der Druckverlust, als auch die den Stofftransport beeinflussende Phasengrenzfläche in Abhängigkeit des Holdups korreliert werden. [1] M. Jödecke, T. Friese, G. Schuch, B. Kaibel, H. Jansen: IChemE Symp. Ser., 152 (2006), 786-789. [2@ 8 %ULQNPDQQ % .DLEHO 0 -|GHFNH - 0DüNRZLDN ( < .HQLJ &KHP ,QJ 7HFK 84 (2012), 36–45. Efficient liquid-liquid extraction by a milli-device based on hydrophobic membranes Dipl.-Ing. T. Wellsandt, Dipl.-Ing. B. Stanisch, Prof. Dr.-Ing. J.Strube Institute for Separation and Process Technology The implementation of “milli-scale” devices in engineering processes is a new and growing field. In contrast to conventional industrial techniques a milli process is characterized by improved mass and heat transfer and small equipment size. The majority of current applications are established in the field of reaction technology. However, the transfer of knowledge from these scientific focuses to separation technology is performed hesitantly [1]. For the transfer of milli technology to separation processes like liquid-liquid extraction (LLE), a combination of efficient mass transfer and fast phase separation is necessary. In this work, a liquid-liquid extractor in milli-scale is introduced and characterized in terms of mass transfer efficiency for throughputs up to several liters per hour. A Single- and multi-stage process setup is used for experimental studies followed by rigorous process modelling. Comparable to [2], mixer and phase separator are integrated into one device using hydrophobic membranes for phase separation. For different process conditions like changing solvent ratios and throughput the influence on phase separation and mass transfer efficiency is determined. The extraction efficiency is evaluated based on the concentration change in both phases. Finally, integration into production scale is discussed for different fields of application like physical, reactive or aqueous two-phase extraction. Literature [1] K. F. Jensen, Chemical Engineering Science 2001, 56 (2), 293. [2] J. G. Kralj, H. R. Sahoo, K. F. Jensen, Lab Chip 2007, 7 (2), 256. Experimentelle Untersuchungen zur Charakterisierung von rotierenden Stoffaustauschmaschinen Kolja Neumann, Matthias Grimm, Philip Lutze TU Dortmund, Dortmund, Germany Die Verarbeitung biobasierter Rohstoffe gewinnt in der chemischen Industrie zunehmend an Bedeutung. Aufgrund variierender Reinheiten und Zusammensetzungen der Ausgangsstoffe und teilweise hoher Viskositäten stellt die Verwendung von nachwachsendenden Rohstoffen besondere Anforderungen an die Downstreamprozesse. So sind flexible Apparate von Vorteil, welche eine konstante Produktqualität bei variierenden Zusammensetzungen der Prozessströme ermöglichen. Rotierende Stoffaustauschmaschinen, Rotating Packed Beds (RPB) genannt, vereinen die Anforderungen einer flexible Prozessführung und der möglichen Verarbeitung viskoser Medien in einem kompakten Design. Durch Rotation der Packung wird ein Zentrifugalfeld erzeugt, in welchem ein intensivierter Stoffaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit stattfindet. Die Flüssigkeit wird im Zentrum der Packung aufgegeben und strömt durch das Zentrifugalfeld beschleunigt nach außen, während der Dampf bzw. das Gas im Gegenstrom nach innen strömt. Mögliche Einsatzfelder für RPBs wären insbesondere Rektifikations- und Absorptionsprozesse. Im Vergleich zu Kolonnen können in RPBs deutlich größere Stofftransportraten und höhere Durchsätze erreicht werden, sodass die Größe des Apparates und der notwendige Platzbedarf innerhalb der Gesamtanlage reduziert wird. Um das Potential von RPBs abschätzen zu können, fehlen allerdings systematische Untersuchungen zur Charakterisierung der Technologie. Anhand einer dreistufigen RPB-Pilotanalage wurden Experimente zur Vermessung des Betriebsfensters bei verschiedenen Viskositäten durchgeführt. Zur weiteren Charakterisierung der RPB wurde außerdem der Einfluss wichtiger Designparameter, wie der Rotorhöhe oder der gewählten Rotoreinbauten, untersucht. Des Weiteren werden Ergebnisse zum Stofftransport bei der Absorption von CO 2 in unterschiedlich viskoser Natronlauge vorgestellt. Die Autoren danken der Max-Buchner-Stiftung für die finanzielle Unterstützung der Forschungsarbeiten (MBFSt-reference code 3326). Vorhersage von binären Fickschen Diffusionskoeffizienten in Flüssigkeiten mit COSMO-RS Sebastian Rehfeldt; Tobias Sachsenhauser; Sandra Schreiber; Harald Klein; Technische Universität München, Garching, Deutschland Zur Auslegung und Optimierung von Stoffaustauschprozessen (z.B. Rektifikation, Absorption oder Extraktion) ist die Kenntnis von Stoffdaten erforderlich. Für die meisten Stoffgrößen existieren umfangreiche Datensammlungen oder zuverlässige Berechnungsmethoden, wobei der Diffusionskoeffizient aber eine Ausnahme bildet. In der Regel wird die Diffusion mit dem phänomenologischen Fickschen Gesetz beschrieben. In thermodynamisch nicht-idealen Gemischen ist der Ficksche Diffusionskoeffizient jedoch stark konzentrationsabhängig. Vorhersagemodelle sind unzuverlässig und zeigen große Abweichungen, in der Literatur finden sich nur wenige Daten. Eine Möglichkeit zur Vorhersage ist die Berechnung mit dem physikalisch konsistenten Diffusionsmodell nach Maxwell und Stefan, dessen Diffusionskoeffizient eine geringe Konzentrationsabhängigkeit zeigt. Wird dieser mit dem sog. thermodynamischen Korrekturfaktor multipliziert, so ergibt dies den Fickschen Diffusionskoeffizienten. Der thermodynamische Korrekturfaktor wird aus Aktivitätskoeffizienten oder dem chemischen Potenzial berechnet. Seine Berechnung kann also mit gE-Modellen wie Wilson, UNIQUAC oder NRTL erfolgen, sofern Dampf-Flüssig-Gleichgewichtsdaten (VLE) verfügbar sind. Ist dies nicht der Fall, so finden prädiktive Berechnungsmodelle wie UNIFAC oder ASOG Anwendung. Ebenso kann mittels der Methode COSMO-RS (Conductor-like Screening Model for Realistic Solvation), welche quantenchemische Berechnungen mit statistischer Thermodynamik kombiniert, das chemische Potenzial mit Kenntnis der Molekülstruktur vorhergesagt und aus diesem der thermodynamische Korrekturfaktor berechnet werden. In dieser Studie wird die Vorhersage von Fickschen Diffusionskoeffizienten anhand von 28 binären Stoffsystemen mittels des oben genannten Weges untersucht, wobei gE-Modelle zusammen mit VLE-Daten aus der DECHEMA Chemistry Data Series sowie die Methoden UNIFAC, ASOG und COSMO-RS Anwendung finden. Die verschiedenen Berechnungsmethoden werden anhand des Vergleichs der vorhergesagten Fickschen Diffusionskoeffizienten mit Literaturdaten bewertet. Die auf VLE-Daten basierenden Methoden liefern meist gute Ergebnisse, in einigen Stoffsystemen wird jedoch mit COSMO-RS das beste Vorhersageergebnis erzielt. Einfluss von Biofouling auf Strömung und Wärmeübergang in wasserführenden Systemen Sebastian Pohl, Hans-Jörg Bart, Technische Universität Kaiserslautern, Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik, Kaiserslautern/Deutschland; Werner Manz, Marco Madzgalla, Universität Koblenz-Landau, Institut für integrierte Naturwissenschaften - Arbeitsgruppe Mikrobiologie, Koblenz/Deutschland; Bei der Nutzbarmachung von Fließgewässern zur Kühlung von industriellen Prozessen kommt es durch milde Temperaturen in Zuleitungen, Wärmeübertragern und Kühltürmen verstärkt zum Biofouling. Gerade in Entwicklungs- und Dritte-WeltLändern kommt es durch mangelhafte Abwasserbehandlung und wärmere klimatische Bedingungen zu erhöhter mikrobieller Belastung in Fließgewässern. Die sich ausbildenden Biofilme greifen die eingesetzten Oberflächen durch inhärente Stoffwechselprozesse an und erhöhen aufgrund von verstärkter Reibung des Fluides sowie der auftretenden Querschnittsverengung die erforderliche Pumpenleistung. Ziel dieses Beitrags ist die Darstellung der Folgen von fortschreitendem Biofouling auf Strömung und Wärmeübergang in Plattenwärmeübertragern. Ferner wird die gezielte Einflussnahme auf den sich ausbildenden Biofilm durch die Nutzung von schlecht netzbaren und leicht zu reinigen Polymerfolien diskutiert. Des Weiteren wird der Einfluss der Scherkrafterhöhung (periodisch/aperiodisch), der gezielten Mikrostrukturierung der Oberfläche, sowie weiterer Stessmechanismen (elektr. Strom) auf die Haftung des sich ausbildenden Films diskutiert. In Zusammenarbeit mit der AG Mikrobiologie der Universität Koblenz-Landau wurde ein geeigneter Mikro-Strömungskanal entwickelt, welcher in situ Untersuchungen des Biofilmes auf verschiedenen Polymerfolien, mit Edelstahloberflächen als Referenz, bei schneller Datengewinnung erlaubt. Die Kinetik der sich ausbildenden Biofilme wird an beiden Standorten in unterschiedlichen Kanälen (konventionell: Epifluoreszenzmikroskopie, Mikro-Kanal: 3D-Raman-Spektroskopie) untersucht. Die entwickelten Strömungskanäle erlauben somit eine gezielte Beurteilung der Biofilmbildung in verschieden Zeitfenstern und Maßstäben bei sich verändernden Prozessbedingungen unter Einsatz von Polymerfolien. Abbildung 1: Schema des Strömungskanals Abbildung 2: Draufsicht des Strömungskanals Wärmeübertragung und Fluiddynamik in ThermoblechKondensatoren: Modellierung basierend auf experimentellen Untersuchungen J.M. Tran, M. Piper, E.Y. Kenig Universität Paderborn, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Paderborn/Deutschland Thermoblech-Kondensatoren stellen technologisch fortschrittliche Wärmeübertrager dar. Deren Eigenschaften sind unter anderem eine kompakte, leichte und vollverschweißte Bauweise, eine gute Wärmeübertragungscharakteristik sowie niedrige Investitions- und Betriebskosten [1,2]. Dennoch werden die Apparate in der Prozessindustrie bislang nur begrenzt eingesetzt, da verlässliche und öffentlich zugängliche Dimensionierungsgrundlagen weitgehend fehlen. Unsere Gruppe führte daher umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen durch, um diese Limitierung zu überwinden. Die Arbeit fand vorwiegend im Rahmen des Verbundprojekts InnovA2 (www.innova2.de) statt. Zur Analyse der thermohydraulischen Eigenschaften von Thermoblech- Kondensatoren wurden zwei komplementäre Versuchsanordnungen verwendet. Eine dieser Anordnungen wurde für die Bestimmung von Wärmeübergang und spezifischem Druckverlust auf der vom Kühlmedium durchflossenen Innenseite verschiedener Thermobleche genutzt, wobei Wasser und Wasser/Monoethylenglykol-Mischungen als Medien dienten. Die andere experimentelle Anordnung wurde für die Erfassung von Wärmedurchgang und Druckverlust bei der Kondensation von Wasser und Isopropanol in einem Thermoblech-Apparat verwendet. In diesem Beitrag werden zentrale Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zusammengefasst. Die gewonnenen Daten wurden in eine dimensionslose Form überführt und in eine Visual Basic-Programmierumgebung implementiert. Dies erlaubt eine lokale Berechnung der Stoffeigenschaften und Wärmeübergangskoeffizienten auf beiden Seiten des Kondensators. Das resultierende Software-Tool wurde anschließend zum Vergleich mit eigenen experimentellen Daten und Literaturwerten, die für andere Wärmeübertragertypen ermittelt wurden, genutzt. [1] J.M. Tran, M. Piper, E.Y. Kenig. Proc. 9th WCCE (2013) [2] M. Piper, A. Zibart, J.M. Tran, E.Y. Kenig. Proc. 15th IHTC (2014) Separation of partially hydrogenated LOHC mixtures Rabya Aslam, Karsten Müller, Katharina Stark, Wolfgang Arlt Institute of Separation Science & Technology, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Recent studies1 show the potential of the heat transfer oil dibenzyltoluene, also known as Marlotherm SH (MSH), as a Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC). Reasonable hydrogen storage capacity (6.2 wt-%) and high thermal stability even at harsh conditions support MSH as a feasible choice for the LOHC technology. For the development of such a process and the implementation of a MSH based LOHC technology, it is compulsory to know the thermophysical properties in all dehydrogenated, hydrogenated and partially hydrogenated states which are formed during the reaction. The number of isomers is further increased by the fact that even the totally dehydrogenated starting mixture consists of six different isomers. More than 30 different intermediate and end products therefore occur in the reactive system. The individual compounds are not available in their pure form, but only in complex reaction mixtures. To measure reaction kinetics and thermophysical data and optimization of the whole process, it is necessary to gather information about those intermediates. In this contribution, the separation of fully dehydrogenated MSH into its different isomers via spinning band vacuum distillation and separation of complex partially hydrogenated mixture into its fractions according to the degree of hydrogenation via high pressure liquid chromatography is presented. The purified components have been identified using NMR and GC-MS studies. Furthermore, the scale up of the processes on a pilot scale batch distillation column and preparative scale HPLC are highlighted. The obtained pure chemicals could be used for the measurement of various physical properties like density, viscosity, refractive index, surface tension, and vapor pressure of the individual isomers and various hydrogenated fractions. 1. Brückner, N., Obesser, K., Bösmann, A., Teichmann, D., Arlt, W., Dungs, J., Wasserscheid, P., Evaluation of Industrially Applied Heat-Transfer Fluids as Liquid Organic Hydrogen Carrier Systems. ChemSusChem 2014, 7(1), 229-235.
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