Download - Polymermembran zur Entwässerung von Ethanol · Druckwechsel-Adsorption Dampfpermeation. Hybridprozess
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Meik Wusterhausen
GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbHInstitut für PolymerforschungMax-Planck-Straße 121502 Geesthacht
Polymermembran zur Entwässerung von Ethanol
Expertengespräch Ethanol
Landwirtschaftszentrum Haus Düsse, den 16.12.2009
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● DBU-Projekt
● Grundlagen und Stand der Technik
● Hybridprozess
● Membranentwicklung
● Membranmodul
● Verfahrensmodellierung
● Anlagenrealisierung
Agenda
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Hochtemperaturdampfpermeation für die Entwässerung von Bioethanol und
anderen organischen Flüssigkeiten
DBU-Projekt
Vorhaben AZ 25277-31
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● Effektive und stabile Membran
● Zuverlässige und reproduzierbare Membranherstellung
● Effizientes Moduldesign
● Skalierbares Moduldesign für kleine und mittlere Anlagengrößen
● Angepasste und ökonomisch sinnvolle Prozesssimulation
● Optimierte Prozessparameter
Bio-Alkohole sind zukünftige Schlüssel-Energieträger
Effiziente Entwässerung organischer Lösungsmittel
DBU-Projekt
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Grundlagen und Stand der Technik
Stand der Technik :
● Azeotrop Rektifikation
● Extraktiv Rektifikation
● Druckwechsel-Rektifikation
● Pervaporation
● Druckwechsel-Adsorption
Azeotrop im Lösungsmittel-Wasser-Gemisch
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Ethanol Massenanteil flüssig
Eth
anol M
asse
nante
il dam
pff
. P = 1 bar
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Grundlagen und Stand der Technik
Druckwechsel-Adsorption Dampfpermeation
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Hybridprozess
• Dampf direkt von Druckkolonne
• Dampfpermeation bei Membran-Maximaltemperatur
• Maximal-Permeatdruck für günstige Kühlmitteltemperatur
Kondensator
Verdampfer
Kolonne
Wasser
Feeddampf 85 bis 95 wt-% EtOHPermeat 15 wt-% EtOH
Retentat
99,7 wt-% EtOH
Hybridprozess theoretisch effizienter alsStand der Technik
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Membranentwicklung
Hydrophile Kompositmembran
1. Trägervlies Polyphenylensulfid (PPS)
2. Trägerschicht Polyacrylnitril (PAN)
3. Trennschicht Polyvinylalkohol/Titanoxid (PVA/TiOx)
4. Schutzschicht Polydimethylsiloxan (PDMS)
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Membranentwicklung
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Membranentwicklung
Trägerschicht
Feed Wasser Massenanteil ab 20% lässt die Trägerschicht bei 120 °C und 4 bar kollabieren
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Schutzschicht
Trägerschicht
Schutzschicht
Trennschicht
Membranentwicklung
Mehrfach aufgetragene Trennschicht führt zu höherer Stabilität, weniger Fehlstellen und verbesserter Trennschärfe
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Silikonfilm schützt vor mechanischen Belastungen und gewährleistet Fehlstellenfreiheit
Membranentwicklung
Silikonfilm
Trennschicht
Trägerschicht
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Dampfpermeation Laboranlage
Membranentwicklung
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Charakterisierung der Ausgangsmembran
Feed Wasser Massenanteil [kg/kg]
Pe
rme
at
Ma
ss
en
str
om
dic
hte
[k
g/(
m²h
)]
Membranentwicklung
• Unterschiedliche Membran-Geometrien
• Feeddruck 4 bar
• Feedtemperatur 120 °C
• Permeatdruck 20 mbar
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Charakterisierung der aktuellen Membran
Membranentwicklung
• Membranstamp
• Feeddruck 4 bar
• Feedtemperatur 120 °C
• Permeatdruck 20 mbar
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Charakterisierung der aktuellen Membran
Membranentwicklung
• Membranstamp
• Feeddruck 4 bar
• Feedtemperatur 120 °C
• Permeatdruck 20 mbar
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Taschenmembranmodul
Membranmodul
Feed
Permeat
Membran
Retentat
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Taschenmembranmodul
Membranmodul
GKSS Modul mit hoher Packungsdichte und kurzen Permeatwegen
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Permeat-Spacer
Vlies
SpacerDrainagering
Schweiß-naht
Edelstahl platte
Membran
Optimierte Konfektionierung
Membranmodul
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Feed-Spacer
Polyamid Feed-Spacer hydrolysiert
Membranmodul
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Dampfpermeation Pilotanlage
Membranmodul
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Versuchsergebnisse mit Pilotanlage
Einbußen nicht erklärbar mit Modul-Wirkungsgrad
Membranmodul
• Membrantasche
• Feeddruck 4 bar
• Feedtemperatur 120 °C
• Permeatdruck 50 mbar
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Membranmodul
Erweiterter Durchmesser der Permeatdrainage
Optimierung des Membrantaschenmoduls
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Membranmodul
Optimierung des Membrantaschenmoduls
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Experimente mit optimierter Permeatdrainage
Membranmodul
• Membrantasche
• Feeddruck 4 bar
• Feedtemperatur 120 °C
• Permeatdruck 40 mbar
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Angepasste und ökonomisch sinnvolle Alternative
Verfahrensmodellierung
Excel Calc
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Verfahrensmodellierung
Simulation mit Membranparametern der Pilotanlage
Ethanol 99,7 wt-%
Wasser 85 wt-%
20 mbar
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Anlagenrealisierung
§Herstellung der Membran und des Membranmoduls
- GMT Membrantechnik GmbH
§Einsatz des Membranmoduls in projektierten Anlagen
- Kühni AG
- Iludest GmbH
- Dalian Puricle Products Co. Ltd.
- Sterling SIHI GmbH
§ Interesse aus industrieller und akademischer Forschung
Dalian Puricle Products Co., Ltd.