ISBN 978-3-8439-0825-2

978-3-8439-0825-2, Reihe Verfahrenstechnik

Tim Roth
Theoretische und experimentelle Untersuchung membranunterstützter Trennverfahren

181 Seiten, Dissertation Technische Universität Dortmund (2012), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Der Einsatz der Pervaporation oder Dampfpermeation in einem membranunterstützten Trennverfahren ist eine vielversprechende Alternative zu energieaufwändigen Verfahren. Trotz ihrer energieeffizienten Betriebsweise konnten sich diese Verfahren bisher nicht in der Industrie aufgrund der spezifisch hohen Kosten für die Membranen und Module durchsetzen. Die Kosten eines membranunterstützten Trennverfahrens können signifikant reduziert werden, indem die Membrantrenneigenschaften zielgerichtet für die Anwendung optimiert werden sowie das Membranverfahren optimal in den Gesamtprozess integriert wird. Die Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte ist der Schwerpunkt dieser Arbeit, in der membranunterstützte Trennverfahren an dem Beispiel der Entwässerung von Bioethanol untersucht werden. Der Stofftransport durch eine Dampfpermeationsmembran in einem Hohlfasermodul, maßgeschneidert für die Trennung von Ethanol-Wasser-Gemischen, wurde experimentell im Labormaßstab analysiert. Es wurden Experimente für einen großen Bereich der Betriebsbedingungen durchgeführt, u. a. bei hohen Wassermassenanteilen im Feed und bei hohen Permeatdrücken bis zu 900 mbar. Anschließend wurde der experimentell bestimmte Stofftransport mit einem empirischen Ansatz, basierend auf dem Dual-Sorptions Modell, erfolgreich modelliert.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden vier membranunterstützte Trennverfahren zur Entwässerung von Bioethanol untersucht und mit einer Verschaltung aus Rektifikation und Druckwechseladsorption als Benchmark verglichen. Eine Prozessanalyse zeigt den Einfluss relevanter Betriebs- und Strukturvariablen auf wichtige Zielgrößen wie Ethanolausbeute, Membranfläche und Adsorbensmasse. Diese Analyse liefert ein grundlegendes Prozessverständnis, auf dessen Basis die Verfahren unter Anwendung eines evolutionären Algorithmus hinsichtlich der Kosten optimiert wurden. Es wurden grundlegende Aussagen für das Design der Verfahren abgeleitet und ein Vergleich hinsichtlich der Kosten und des Energiebedarfes durchgeführt. Insgesamt können die membranunterstützten Trennverfahren mit dem Benchmark hinsichtlich der Kosten konkurrieren und haben einen wesentlich geringeren Energiebedarf. Mit steigenden Energiekosten sowie der Weiterentwicklung kostengünstiger und zuverlässiger Membranen ist mit einem vermehrten Einsatz der membranunterstützten Trennverfahren in der Industrie zu rechnen.