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

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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

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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.

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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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