Masterstudiengang Chemie Vortrag im Rahmen des Moduls „Verfahrensentwicklung und...
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Masterstudiengang Chemie
Vortrag im Rahmen des Moduls „Verfahrensentwicklung und Prozesssimulation“, WiSe 2014/15
Modelling of a forward osmosis using Ammonium Bicarbonate
Raoul Schaper, Nils Frerichs23.06.2015
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
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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
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Problemstellung
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Problembehandlung
Grundaufbau der Anlage
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Simulation der Membran
-Einstellung des Wasserstroms über die split fraction-Berechnung der split fraction über einen Calculator
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Simulation der Membran - Calculator
Berechnung der Fugazitäten aus dem Produkt von Dampfdruck und Molenbruch[8] P. Sukitpaneenit, T.-S. Chung, Environ. Sci. Technol. 2012, 46, 7358-7365.
Gamma Wasser SALTIN 1Dampfdruck Wasser SALTIN [bar] 0,02350715Molenbruch Wasser SALTIN 0,98764467
Gamma Wasser COLDCONC 1,05089956Dampfdruck Wasser COLDCONC [bar] 0,02350715Molenbruch Wasser COLDCONC 0,88334027
Moleflow Wasser gesamt SALTIN 1975,28933Fläche der Membran [m^2] 10000 Fugazität Wasser SALTIN [bar] 0,02321671Membrankonstante [l/m^2*bar*h] 32,1 Fugazität Wasser COLDCONC[bar] 0,02076481
Delta Fugazität [bar] 0,0024519berechneter Moleflow Wasser WATERIN [kmol/h] 787,059618
berechnete Splitfraction im Separator 0,39845283
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Der Membrankreislauf
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Der Membrankreislauf
Hier den Calculator ADD-IN rein???
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Wassergewinnung und Recycling der Gase
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Wassergewinnung und Recycling der Gase
Berechnung der split fraction des Splitters Richtung Membran mittels Calculator
Berechnung der bottoms rate der Kolonne mittels Calculator (WATERIN = WATEROUT)
Flowin [kmol/h] 787,059616Flow AMMOMIX [kmol/h] 54523,2204
Splitfraction im Splitter 0,98556469
Waterin [kmol/h] 787,059616Waterout [kmol/h] 787,059616
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Probleme
- Calculator stört die Konvergenz der BerechnungenBeispiel:
- Kreisprozesse führen zu Problemen in der Simulation
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Probleme
Beweis: Ohne Calculator läuft die Kolonne ohne Probleme bei gleicher FEED-Zusammensetzung
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Lösung der Probleme
- Festgelegter Wasserstrom- Dadurch nur noch zwei Calculator nötig- Berechnung der Membranfläche aus den
gegebenen und simulierten Werten
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Endgültiges Flowsheet
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Ergebnisse
Wasserqualität:
[9] http://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/trinkwv_2001/gesamt.pdf
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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 200NH4+ 2,90E-06 2,73340558 0,5; in Ausnahmefällen bis zu 30OH- 2,25E-06 2,114335565 Cl- 0 0 250HCO3- 1,56E-06 1,468096185 CO3-- 5,96E-08 0,056115043
Gesamtflow [kg/h] 3358,54Gesamtflow [l/h] 3568,764
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 200NH4+ 2,90E-06 2,73340558 0,5; in Ausnahmefällen bis zu 30OH- 2,25E-06 2,114335565 Cl- 0 0 250HCO3- 1,56E-06 1,468096185 CO3-- 5,96E-08 0,056115043
Gesamtflow [kg/h] 3358,54Gesamtflow [l/h] 3568,764
Berechnung der benötigten Membranfläche
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Kostenanalyse
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