Masterstudiengang Chemie Vortrag im Rahmen des Moduls „Verfahrensentwicklung und Prozesssimulation“, WiSe 2014/15 Modelling of a forward osmosis using.

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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

2 Inhalt -Einführung -Problemstellung -Problembehandlung -Ergebnisse -Zusammenfassung -Ausblick

3 Einführung [1] http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wasserverteilung_auf_der_Erde.png#/media/File:Wasserverteilung_auf_der_Erde.png 1

4 Einführung [2] http://www.heizsparer.de/wp-content/uploads/images/infografiken/wasserknappheit-weltweit-unicef.jpg 2

5 Einführung – Salzgehalt der Meere [3] http://cdn2.spiegel.de/images/image-264121-panoV9free-shtn.jpg 2

6 Einführung – Multi-Effect Distillation [4] http://www.separationprocesses.com/Distillation/DT_Figures/Fig078b.gif 3

7 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

8 Einführung – Forward Osmosis [6] http://dqbasmyouzti2.cloudfront.net/content/images/articles/Forward-Osmosis-pic.jpg 5

9 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

10 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

11 Problemstellung 8

12 Problembehandlung Grundaufbau der Anlage 9

13 Simulation der Membran -Einstellung des Wasserstroms über die split fraction -Berechnung der split fraction über einen Calculator 10

14 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 SALTIN1 Dampfdruck Wasser SALTIN [bar]0,02350715 Molenbruch Wasser SALTIN0,98764467 Gamma Wasser COLDCONC1,05089956 Dampfdruck Wasser COLDCONC [bar]0,02350715 Molenbruch Wasser COLDCONC0,88334027 Moleflow Wasser gesamt SALTIN1975,28933 Fläche der Membran [m^2]10000Fugazität Wasser SALTIN [bar]0,02321671 Membrankonstante [l/m^2*bar*h]32,1Fugazität Wasser COLDCONC[bar]0,02076481 Delta Fugazität [bar]0,0024519 berechneter Moleflow Wasser WATERIN [kmol/h]787,059618 berechnete Splitfraction im Separator0,39845283 11

15 Der Membrankreislauf -Kühlung der draw solution auf 20 °C -Druck bei 3 bar -CO2 und NH3 Zuführung zum Ausgleich von Verlusten 12

16 Der Membrankreislauf Hier den Calculator ADD-IN rein??? 13

17 Wassergewinnung und Recycling der Gase 14

18 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) 15

19 Probleme -Calculator stört die Konvergenz der Berechnungen Beispiel: -Kreisprozesse führen zu Problemen in der Simulation 16

20 Probleme Beweis: Ohne Calculator läuft die Kolonne ohne Probleme bei gleicher FEED-Zusammensetzung 17

21 Lösung der Probleme -Festgelegter Wasserstrom -Dadurch nur noch zwei Calculator nötig -Berechnung der Membranfläche aus den gegebenen und simulierten Werten 18

22 Endgültiges Flowsheet 19

23 Ergebnisse Wasserqualität: [9] http://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/trinkwv_2001/gesamt.pdf 20 KomponenteMassfracKonzentration [mg/l]Trinkwasserverordnung [mg/l] Wasser0,9999723941067,2626 NaCl00 NH32,09E-0519,69708342 CO24,77E-090,004490032 NH4HCO300 H3O+3,95E-113,71788E-05 Na+00200 NH4+2,90E-062,73340558 0,5; in Ausnahmefällen bis zu 30 OH-2,25E-062,114335565 Cl-00250 HCO3-1,56E-061,468096185 CO3--5,96E-080,056115043 Gesamtflow [kg/h]3358,54 Gesamtflow [l/h]3568,764 KomponenteMassfracKonzentration [mg/l]Trinkwasserverordnung [mg/l] Wasser0,9999723941067,2626 NaCl00 NH32,09E-0519,69708342 CO24,77E-090,004490032 NH4HCO300 H3O+3,95E-113,71788E-05 Na+00200 NH4+2,90E-062,73340558 0,5; in Ausnahmefällen bis zu 30 OH-2,25E-062,114335565 Cl-00250 HCO3-1,56E-061,468096185 CO3--5,96E-080,056115043 Gesamtflow [kg/h]3358,54 Gesamtflow [l/h]3568,764

24 Berechnung der benötigten Membranfläche e 21

25 Kostenanalyse e 22

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