Folie 1

Masterstudiengang Chemie
Vortrag im Rahmen des Moduls „Verfahrensentwicklung und
Prozesssimulation“, WiSe 2014/15
Modelling of a forward osmosis using
Ammonium Bicarbonate
Raoul Schaper, Nils Frerichs
23.06.2015
Inhalt
-
Einführung
Problemstellung
Problembehandlung
Ergebnisse
Zusammenfassung
Ausblick
Einführung
[1] http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wasserverteilung_auf_der_Erde.png#/media/File:Wasserverteilung_auf_der_Erde.png
1
Einführung
[2] http://www.heizsparer.de/wp-content/uploads/images/infografiken/wasserknappheit-weltweit-unicef.jpg
2
Einführung – Salzgehalt der Meere
[3] http://cdn2.spiegel.de/images/image-264121-panoV9free-shtn.jpg
2
Einführung – Multi-Effect Distillation
[4] http://www.separationprocesses.com/Distillation/DT_Figures/Fig078b.gif
3
Einführung – Reverse Osmosis
- Filtration über Membranen
- Hohe Drücke von 60 bis 80 bar in
Meerwasserentsalzungsanlagen
[5] http://www.allaboutwaterlubbock.com/files/5647/362740.gif
4
Einführung – Forward Osmosis
[6] http://dqbasmyouzti2.cloudfront.net/content/images/articles/Forward-Osmosis-pic.jpg
5
Problemstellung
- Simulation einer Meerwasserentsalzungsanlage
- Prinzip der Forward Osmosis
[7] M. Elimelech, Membrane Technology 2007, 1, 7-8. doi: 10.1016/S0958-2118(07)70019-8.
6
Problemstellung
-
Einsatz einer Ammoniumhydrogencarbonat-Lösung
Leicht herzustellen
Leicht zu entfernen
Erreichbar durch Zugabe von Ammoniak und
Kohlenstoffdioxid zum Wasser
- Annahme zur Vereinfachung: 3.5 % NaCl gelöst im
Meerwasser
7
Problemstellung
8
Problembehandlung
Grundaufbau der Anlage
9
Simulation der Membran
- Einstellung des Wasserstroms über die split fraction
- Berechnung der split fraction über einen Calculator
10
Simulation der Membran - Calculator
Gamma Wasser SALTIN
Dampfdruck Wasser SALTIN [bar]
Molenbruch Wasser SALTIN
1
0,02350715
0,98764467
Gamma Wasser COLDCONC
Dampfdruck Wasser COLDCONC [bar]
Molenbruch Wasser COLDCONC
1,05089956
0,02350715
0,88334027
Moleflow Wasser gesamt SALTIN
Fläche der Membran [m^2]
Membrankonstante [l/m^2*bar*h]
1975,28933
10000
32,1
berechneter Moleflow Wasser WATERIN [kmol/h]
787,059618
berechnete Splitfraction im Separator
0,39845283
Fugazität Wasser SALTIN [bar]
Fugazität Wasser COLDCONC[bar]
Delta Fugazität [bar]
0,02321671
0,02076481
0,0024519
Berechnung der Fugazitäten aus dem Produkt von Dampfdruck
und Molenbruch
[8] P. Sukitpaneenit, T.-S. Chung, Environ. Sci. Technol. 2012, 46, 7358-7365.
11
Der Membrankreislauf
- Kühlung
der
draw solution
auf 20 °C
- Druck bei 3 bar
- CO2 und NH3
Zuführung zum
Ausgleich von
Verlusten
12
Der Membrankreislauf
Hier den Calculator ADD-IN rein???
13
Wassergewinnung und Recycling der Gase
14
Wassergewinnung und Recycling der Gase
Berechnung der split fraction des Splitters Richtung Membran
mittels Calculator
Flowin [kmol/h]
Flow AMMOMIX [kmol/h]
787,059616
54523,2204
Splitfraction im Splitter
0,98556469
Berechnung der bottoms rate der Kolonne mittels Calculator
(WATERIN = WATEROUT)
Waterin [kmol/h]
Waterout [kmol/h]
787,059616
787,059616
15
Probleme
- Calculator stört die Konvergenz der Berechnungen
Beispiel:
- Kreisprozesse
Simulation
führen
zu
Problemen
in
der
16
Probleme
Beweis: Ohne Calculator läuft die Kolonne ohne
Probleme bei gleicher FEED-Zusammensetzung
17
Lösung der Probleme
- Festgelegter Wasserstrom
- Dadurch nur noch zwei Calculator nötig
- Berechnung
der
Membranfläche
aus
gegebenen und simulierten Werten
den
18
Endgültiges Flowsheet
19
Ergebnisse
Wasserqualität:
Komponente Massfrac
Konzentration [mg/l] Trinkwasserverordnung [mg/l]
Wasser
0,9999723
941067,2626
NaCl
0
0
NH3
2,09E-05
19,69708342
CO2
4,77E-09
0,004490032
NH4HCO3
0
0
H3O+
3,95E-11
3,71788E-05
Na+
0
0
200
NH4+
2,90E-06
2,73340558 0,5; in Ausnahmefällen bis zu 30
OH2,25E-06
2,114335565
Cl0
0
250
HCO31,56E-06
1,468096185
CO3-5,96E-08
0,056115043
Gesamtflow [kg/h]
Gesamtflow [l/h]
[9] http://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/trinkwv_2001/gesamt.pdf
3358,54
3568,764
20
Berechnung der benötigten Membranfläche
e
21
Kostenanalyse
e
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54