Verfahrenstechnik
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Profil

Mit Membranverfahren können flüssige, dampf- oder gasförmige Gemische getrennt werden. Vergleicht man diese Verfahren mit ihren konventionellen Konkurrenten, zeichnen sich Membranverfahren oft durch einen geringeren Energieverbrauch, eine einfache Verfahrensführung und einen geringen Flächenbedarf aus. Oft ist es auch vorteilhaft, Membranverfahren mit anderen Trennverfahren zu sogenannten Hybridverfahren zu verschalten. Anwendung finden solche Verfahren in der chemischen und petrochemischen Industrie, in der regenerativen und konventionellen Energiegewinnung, in der Biotechnologie, in der Umwelttechnik, in der Lebensmittelindustrie und in der pharmazeutischen Industrie.

Die Membranverfahren, die in der Abteilung Verfahrenstechnik im Mittelpunkt stehen, sind die Gaspermeation, die Dampfpermeation, die Pervaporation und die organophile Nanofiltration. Ihnen gemein ist, dass sie nach dem Lösungs-Diffusionsprinzip arbeiten. Damit dies funktioniert, wird über einen dünnen dichten Polymerfilm eine Triebkraft angelegt. Diese führt dazu, dass sich im Zulaufgemisch vorhandene Komponenten im Polymer lösen, um dann im gelösten Zustand durch das Polymer zu diffundieren und an der Rückseite des Films wieder zu desorbieren. Die Trennung wird dabei durch die unterschiedlichen Wechselwirkungen der verschiedenen Komponenten aus dem Zulaufgemisch mit dem Membranpolymer bei den Lösungs- und Diffusionsschritten verursacht.

Wesentlich für eine erfolgreiche Umsetzung von Forschungsergebnissen in die industrielle Anwendung ist, dass die gesamte Forschungs- und Entwicklungskette ganzheitlich bearbeitet wird. In der Abteilung Verfahrenstechnik werden hierfür die folgenden Aufgabenstellungen bearbeitet:

Die Forschungsschwerpunkte unserer Abteilung:

Polymerforschung

In der Abteilung Verfahrenstechnik können Flachmembranen im 100 m2 Maßstab nach dem Phaseninversionsprinzip hergestellt werden. Dabei entstehen poröse schwammartige Strukturen, welche sich zur Oberfläche hin zu einem dichten Film verdichten können. Bei den meisten vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht entwickelten Membranen handelt es sich um Kompositmembranen. Diese werden dadurch hergestellt, dass die nach dem Phaseninversionsprinzip hergestellten porösen Membranen in einem zweiten Schritt mit einem oder mehreren dichten Polymerfilmen beschichtet werden. Dabei kann die Schichtdicke bis auf 70 nm reduziert werden, was die Herstellung von Hochflussmembranen, wie sie für viele heute diskutierte Anwendungen notwendig sind, ermöglicht.

Abb13 Minimodulek100pn40

Um die intrinsischen Eigenschaften eines Membranmaterials möglichst verlustfrei in den technischen Prozess zu überführen, müssen verfahrenstechnische Apparate konstruiert werden, die dies ermöglichen. Diese Membranmodule werden so entwickelt, dass eine möglichst große Membranfläche in einer Volumeneinheit installiert werden kann. Dabei werden Effekte, die den Stofftransport durch die Membran negativ beeinflussen, minimiert. Zu diesen Effekten gehören z.B. Druckverluste und Konzentrationsgrenzschichten.

Für die Auslegung von Membranverfahren werden Simulationsmodelle eingesetzt. Diese bilden die in den Membranmodulen auftretenden Effekte wie Stofftransport durch die Membran als Funktion von Druck, Temperatur und Zusammensetzung, Strömungsführung, Druckverluste, Geschwindigkeits-, Konzentrations- und Temperaturprofile ab. Mathematisch führt dies zu einem System aus partiellen und gewöhnlichen Differentialgleichungen sowie aus algebraischen Gleichungen. Diese Gleichungssysteme werden mit geeigneter Software umgesetzt und in kommerziellen Prozesssimulatoren implementiert. Somit wird es ermöglicht, das Einsatzverhalten von Membranmodulen im Kontext des Gesamtverfahrens abzubilden. Hierbei werden sowohl die Verschaltung einzelner Membranmodule inklusive der notwendigen Aggregate zur Druck- und Temperaturveränderung als auch die Kombination von Membranverfahren mit anderen verfahrenstechnischen Grundoperationen zu Hybridverfahren untersucht.

Wesentlich für die Beurteilung des Einsatzverhaltens von Membranwerkstoffen ist ein grundlegendes Verständnis der beim Transport durch die Membranmaterialien auftretenden Effekte. Hierzu wird die Permeation von Einzelgasen durch Membranen als Funktion von Druck und Temperatur in Messapparaturen automatisiert aufgenommen. Die so gewonnenen Datensätze werden mit Hilfe von Permeationsmodellen beschrieben, deren Parameter aus den Messdaten ermittelt werden. Gasgemische werden in speziell hierfür aufgebauten Testständen vermessen. Ein Ziel ist dabei das Mehrstoffpermeationsverhalten auf Basis der aus den Einzelgasmessungen gewonnenen Ergebnisse zu beschreiben und diese Beschreibung anhand von Messdaten zu validieren. Ein analoger Ansatz wird für Messungen in der Flüssigphase bei der Pervaporation und der organophilen Nanofiltration verfolgt.

Pilotanlage CO2/N2-Trennung hohe Auflösung

Die Pilotanlageninfrastruktur der Abteilung wird dafür verwendet, das Einsatzverhalten von mit neu entwickelten Membranmaterialien bestückten Membranmodulen im industrienahen Einsatz zu untersuchen. Dafür werden am HZG relevante Trennaufgaben nachgestellt, wobei die Einsatzgemische synthetisch angesetzt oder von Forschungspartnern zur Verfügung gestellt werden. Pilotanlagen werden auch vor Ort bei Forschungspartnern betrieben, wobei die Einsatzströme direkt dem industriellen Prozess entnommen werden. Die Untersuchungen zielen ab auf die Auswahl der optimalen Verfahrensbedingungen hinsichtlich der gewählten Drücke, Temperaturen und Zusammensetzungsbereiche, den Nachweis der Dauerbeständigkeit des Membranmaterials für eine Anwendung, die Bewertung unterschiedlicher Membranmodulkonzepte und die Validierung von Simulationsmodellen.

Membranbeschichtung

In diesem Bereich wird durch gezielte Modifizierung von Membranmaterialien, der Auswahl besser geeigneter Lösungsmittelsysteme und Additive für die Membranherstellung sowie der Entwicklung von Prozessschritten bei der Membranherstellung die bessere Verarbeitbarkeit und, wenn möglich, eine verbesserte Trenncharakteristik der betrachteten Polymere oder Polymerblends erreicht. Ferner werden Mixed-Matrix-Membranen entwickelt, bei denen durch Zugabe anorganischer Komponenten zum trennaktiven Membranpolymer ein verbessertes Einsatzverhalten hinsichtlich Trenncharakteristika und Stabilität erreicht werden soll. Speziell in diesem Bereich erfolgen die Arbeiten in enger Kollaboration mit den anderen Abteilungen des Instituts.

Untersuchte Anwendungen
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Abtrennung von CO2 aus Prozessgasströmen
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Abtrennung von H2 aus Prozessgasströmen
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O2/N2 Trennung, z.B. für die Konditionierung von Verbrennungsluft
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Trocknung von Gasströmen
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Konditionierung von Erd- und Erdölbegleitgas
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Monomerrückgewinnung bei der Polymerproduktion
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Lösemittelrückgewinnung aus Abluft
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Benzindampf-Rückgewinnung in der Kette des Benzinumschlags vom Tanklager bis hin zur Tankstelle
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Organophile Nanofiltration zur Behandlung von Flüssigkeitsströmen, z. B. in der chemischen, pharmazeutischen und petrochemischen Industrie
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Dampfpermeation und Pervaporation zur Trennung azeotroper und engsiedender Gemische