Einsatz der Dampfpermeation zur Abtrennung und Rückgewinnung organischer Lösungsmittel aus Abluft: Verfahren und Verfahrenskombinationen
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Düsseldorf
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| adam_text | Titel: Einsatz der Dampfpermeation zur Abtrennung und Rückgewinnung organischer Lösungsmittel aus Abluft
Autor: Leemann, Martin
Jahr: 1996
FORTSCHRITTBERICHTE VM Dipl.-Ing. Martin Leemann, Heidelberg Einsatz der Dampfpermeation zur Abtrennung und Rückgewinnung organischer Lösungsmittel aus Abluft - Verfahren und Verfahrenskombinationen - Reihe 3 : Verfahrenstechni k Nr. 446 VM VERLAG
X Inhaltsverzeichnis Formelzeichen X Zusammenfassung 1 1 Einführung und Stand der Technik 3 1.1 Einführung 3 1.2 Stand der Technik 3 1.3 Aufbau der Arbeit 8 2 Grundlagen der Gastrennung mit Hilfe von Membranen 9 2.1 Stofftransport in Porenmembranen 9 2.1.1 Knudsendiffusion 10 2.1.2 Stefan-Maxwell-Diffusion 11 2.1.3 Viskose Strömung 12 2.1.4 Oberflächendiffusion 13 2.1.3 Kapillarkondensation 14 2.1.6 Dusty-Gas-Modell 15 2.1.7 Bilanzgleichungen für den Gastransport in porösen Feststoffen 16 2.2 Stofftransport in dichten Elastomerfdmen 20 2.2.1 Modell des Lösungs-Diffusions-Mechanismus 20 2.2.2 Sorption in Elastomeren 22 2.2.2.1 Löslichkeiten nach Flory-Huggins und Flory-Rehner 22 2.2.2.2 Konzept der ungleichen Affinität 23 2.2.2.3 Differentielle dreidimensionale Löslichkeitsparameter 23 2.2.2.4 Korrelationen zu Lennard-Jones-Potential, kritischer Temperatur, 24 Siedepunkt und Molmasse
YL INHALTSVERZEICHNIS 2.2.3 Diffusion in Elastomeren 25 2.2.3.1 Free Volume und andere verwandte Theorien 25 2.2.3.2 Beschreibung über Aktivierungsenergie und Molmassen 27 2.2.4 Abhängigkeit der Permeabilität von Temperatur und Konzentration 29 2.2.5 Permeation von Gemischen 30 2.2.6 Bilanzgleichungen für den Stofftransport in dichten Elastomerfilmen 31 2.3 Stofftransport in den Bulkphasen von Kapillarmembranmodulen 33 2.3.1 Grenzschichten 33 2.3.2 Bilanzgleichungen in Feed-und Permeatraum 34 2.4 Kennzahlen für das Trennvermögen der Membran und das Betriebsverhalten von 40 Membransystemen 3. Transport von organischen Lösungsmitteln, von Wasser und von 43 Permanentgasen durch dünne Silikonfilme 3.1 Polymerkenngrößen und Herstellung dünner Silikonfilme 43 3.1.1. Filmherstellung 44 3.1.2 Charakterisierung der Filme 44 3.2 Einkomponentensysteme Butylacetat, Ethylacetat, Ethanol, Toluol, p-Xylol, 45 MEK, Stickstoff und Sauerstoff 3.2.1 Versuchsanlagen und Meßprinzipien 45 3.2.1.1 Aufbau des Permeationsteststandes und Meßprinzip 45 3.2.1.2 Absorptionsteststände und ihre Meßprinzipien 48 3.2.2 Ergebnisse der Untersuchungen an Einkomponentensystemen 50 3.2.2.1 Permeationskoeffizienten und Permselektivitäten 50 3.2.2.2 Sorptionsisothermen und Sorptionskoeffizienten 54 3.2.2.3 Difftisionskoeffizienten 58 3.2.2.4 Quantitative Beschreibung von Plastifizierungseffekten 60 3.2.2.5 Voraussage von Transportparametem bei anderen Betriebsbedingungen 62 und für andere Komponenten
INHALTSVERZEICHNIS - Y1L 4 Lösungsmittelrückgewinnung über Kapillarmembranmodule 67 4.1 Eingesetzte Membranmodule und Modulkenngrößen 68 4.2 Aufbau des Membranmodulteststandes, Meßtechnik und Meßwerterfassung 70 4.3 Untersuchungen von Gemischen organischer Lösemittel mit Luft ohne Stage-Cut 72 4.3.1 Systeme mit einer Lösemittelkomponente (Toluol-Luft, Ethylacetat-Luft) 73 4.3.1.1 Anreicherungsverhälmis für Toluol und Ethylacetat 7 3 4.3.1.2 Flüsse von Toluol, Ethylacetat und Luft 76 4.3.2 Systeme mit zwei Lösemittelkomponenten (Toluol-Ethylacetat-Luft) 78 4.3.2.1 Anreicherungs Verhältnis für T oluol und Ethylacetat 7 8 4.3.3 Permeabilitäten und Selektivitäten des Moduls 81 4.4 Untersuchungen von Gemischen organischer Lösemittel mit Luft mit Stage-Cut 85 4.4.1 Abreinigungsgrad, Anreicherung und Flüsse als Funktion des 86 Volumenstromes 4.4.2 Einfluß von Strömungsführung und Modulgeometrie 90 4.5. Standzeitverhalten der Membran 93 5 . Stofftransport in Kompositmembranen und Kapillarmembranmodulen 9 7 5.1 Modellbildung des Stofftransports in Kompositmembranen und 97 Kapillarmembranmodulen 5.1.1 Aufteilung der Unterstruktur 97 5.1.2 Das vollständige Modell 99 5.1.3 Parameteridentifikation 102 5.2 Simulationsergebnisse für die Charakteristik von Kompositmembranen 104 5.2.1 Einfluß der Deckschichtdicke 105 5.2.2 Einfluß des Permeatgesamtdrucks 105 5.2.3 Einfluß der Feedkonzentration 108 5.2.4 Einfluß der Permeatkonzentration 109 5.2.5 Einfluß der Temperatur 110 5.2.6 Interpretation der Membran Veränderungen über der Betriebsdauer 111 5.2.7 Reduzierung des Modells 112 5.2.8 Einfluß von Unterstruktur und Grenzschicht auf die Selektivität von 115 Kompositmembranen 5.2.9 Modell vahdiemng 118
VIII INHA I.TSVF.R7F.ICHNIS 5 .3 Simulationsergebnisse für Membranmodule 121 5.3.1 Die Gleichstromführung 121 5.3.2 Die Gegenstromführung 124 5.3.3 Die Kreuzstromführung 126 5.3.4 Modellreduktion für Membranmodule 126 5.3.5 Modellvalidierung 131 5.4 Spezielle Modulverschaltungen 131 5.4.1 Die Retentatverschaltung 134 5.4.2 Die Permeatverschaltung 136 6. Wirtschaftlichkeit der Rückgewinnung von Lösungsmitteln 138 über die Dampfpermeation 6.1 Konventionelle Verfahren zur Reinigung lösungsmittelkontaminierter 138 Abluftströme und ihre Einsatzbereiche 6.2 Optimierte Betriebsbedingungen und Systemkosten 140 6.3 Systemvergleich und kostenoptimale Abluftreinigungsverfahren 148 7. Membranhybridverfahren zur Behandlung iösungsmittel- 149 kontaminierter Abluftströme 7.1 Verfahrenskombinationen - Literaturüberblick 149 7.2 Adsorptions-Membran-Hybridverfahren 150 7.2.1 Verschaltungsmöglichkeiten 152 7.2.2 Modellbildung von Rotoradsorbem 154 7.2.2.1 Wärme-und Stoffaustausch bei Adsorption und Desorption 154 1 . 2 . 2.2 Anwendung auf rotierende Systeme 159 1 . 2.23 Modellparameter 160 7.2.2.4 Modell Validierung 161 7.2.3 Ergebnisse 161 7.2.3.1 Vergleich der Verschaltungsvarianten 164 1 . 23.2 Zusammenfassung der Ergebnisse und Auslegungskriterien 171 7.3 Absorptions-Membran-Hybridverfahren 172
INHALTSVERZEICHNIS SX Anhang 173 Al: Vertäfelte Reinstoffwerte 173 A2: Stoßquerschnitt ajj und Kollisionsintegral Î2ÿ 173 A3: Sättigungsdampfdruck p«, 174 A4: Oberflächenspannung er/ 174 A5: Parameter in den Beziehungen (5.1) und (5.2) 175 A6: Parametersatz für Modellververgleiche in Bild 5,10 175 A7: Datensatz für Adsorptionsrotor in Kap. 7.2 176 A8: Datensatz für Membranmodul in Kap. 7.2 177 A9: Datensatz für gefüllte Dialysemodule in Anhang A 10 177 AIO: Herstellung und Betrieb von Polymerabsorbem zur Reinigung lösungsmittel- 179 kontaminierter Abluftströme A 10.1 Polymerabsorber und ihre Herstellung 180 AlO.l.l Polymerauswahl 180 A 10.1.2 Mögliche Bauformen und hergestellte Prototypen 180 A 10.1.3 Voruntersuchungen zum Durchbruchsverhalten und Absorberauswähl 181 A 10.1.4 Charakterisierung 183 A 10.2 Experimentelle Untersuchungen 185 A10.2.1 Sorptionsverhalten 185 A10.2.2 Desorption über Temperaturwechsel 186 A10.2.3 Desorption über eine Kombination von Temperatur- und Druckwechsel 189 A10.2.4 Sorptions-Desorptions-Zyklen 190 A10.3 Modellbildung und Simulation von Polymerabsorbem 191 A 10.3.1 Wärme- und Stoffaustausch bei Absorption und Desorption 191 A10.3.2 Modellvalidierung 193 A10.3.3 Simulation von Sorptions-Desorptions-Zyklen 194 A10.3.4 Modellreduktion 196 A 10.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 197 Literaturverzeichnis 198
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| title_short | Einsatz der Dampfpermeation zur Abtrennung und Rückgewinnung organischer Lösungsmittel aus Abluft |
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