View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

5 Verfahrensanalyse und Bewertung
Für eine technische Anwendung sind Kondensattemperaturen unterhalb der Raumtemperatur
mit hohem Kühlaufwand verbunden. Daher wird der Prozess zunächst für eine Permeattemperatur
von 20°C ausgelegt. Der Dampfdruck der in Kerosin enthaltenen Komponenten
beträgt bei 20°C weniger als 14 mbar, so dass zum Auskondensieren ein
Permeatdruck höher als 14 mbar erforderlich ist. Wird eine noch höhere Kondensattemperatur
gefordert, ist der Permeatdruck entsprechend dem Dampfdruck ebenso anzuheben.
Die Ergebnisse der Laborversuche zeigten, dass der transmembrane Fluss bei einer
Kondensattemperatur von 20°C um 52 % geringer war als bei der Kühlung mit flüssigem
N2, was durch eine Verringerung der treibenden Kräfte begründet werden kann. Der Anreicherungsfaktor
zeigte jedoch keine signifikante Abhängigkeit von der Permeattemperatur.
Um den apparativen und energetischen Aufwand zur Erzeugung des Vakuums zu begrenzen,
ist der Permeatdruck zu maximieren. Da sich der transmembrane Fluss mit steigendem
Permeatdruck verminderte, wird als ein Kompromiss dieser gegenläufigen Anforderungen
ein Permeatdruck von 25 mbar gewählt.
Die Überströmgeschwindigkeit der Membran ergibt sich aus dem Design des Membranmoduls.
Für Überströmgeschwindigkeiten zwischen 0,15 cm/s und 11,6 cm/s zeigten,
dass der Trennprozess nicht signifikant unterschiedlich war.
Wie die Versuche zur Adsorption wurden die Pervaporationsversuche zur Charakterisierung
der Trenneigenschaften mit dem Kraftstoff Jet A-1 A durchgeführt. Zur Übertragung
der Ergebnisse auf höhere Schwefelgehalte wurden Versuche mit dem Kraftstoff Kerosin
C durchgeführt. Somit erfolgt die Auslegung der ersten Membranstufe für 563 ppm-S und
1675 ppm-S. Eine Auslegung für einen Kraftstoff mit 3000 ppm wird auf Basis einer Extrapolation
der Leistungsdaten abgeschätzt.
Für den Kraftstoff Jet A-1 betrug der Anreicherungsfaktor im ausgewählten Betriebspunkt
= 0,39. Da im direkten Vergleich mit dem hochschwefelhaltigen Kraftstoff ein um den
Faktor 1,42 höherer Anreicherungsfaktor festgestellt wurde, wird für Kerosin C ein Wert
von = 0,55 angenommen (siehe Kap. 4.5.4.3).
Der transmembrane Fluss wurde bei einer Kondensationstemperatur von 20°C gegenüber
dem mit Stickstoffkühlung durchgeführten Laborversuch um 51 % reduziert, so dass sich
ein Wert von n
0,47 kg/m 2 h für Jet A-1 A ergab (siehe Abb. 4-9). Für Kerosin C wurde
keine signifikante Änderung des transmembranen Flusses festgestellt (siehe Tab. 4-9).
Damit ergibt sich in Abhängigkeit von der benötigten Permeatmenge die erforderliche aktive
Membranfläche zu 2,13 m 2 je Kilogramm Permeat.
Für die technische Anwendung bietet sich ein Hohlfasermodul an, das die höchste Packungsdichte
mit 2 – 5 m 2 /l ermöglicht. Wird der Mantelraum als Permeatseite genutzt, ergibt
sich außerdem gegenüber Wickelmodulen ein deutlich geringerer Druckverlust auf der Permeatseite.
Dies ist für Systeme mit niedrigen Permeatdrücken unter 100 mbar ein wichtiges
Kriterium [150]. Unter der Annahme einer Packungsdichte von 3,5 m 2 /l ergibt sich ein Volumen
des Hohlfasermoduls von 0,61 l je Kilogramm Permeat. Die Überströmgeschwindigkeit
resultiert aus der durchströmten Querschnittsfläche. Diese ergibt sich aus dem jeweiligen
Moduldurchmesser und dem Querschnittsanteil der Hohlfasern, der auf etwa 25 % abgeschätzt
wird [150]. Die Berechnung der Überströmgeschwindigkeit muss bei der Betrachtung
des Gesamtsystems erfolgen, da sie von der benötigten Permeatmenge abhängt.
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