View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

3 Neue Lösungsansätze zur dezentralen Entschwefelung von Mitteldestillaten
3.7.1.3 Grundlagen der Pervaporation
Die Pervaporation wird zur Auftrennung eines flüssigen Gemisches genutzt. An der permeatseitigen
Phasengrenze findet ein Phasenwechsel statt, so dass die Desorption durch Verdampfung
erfolgt. Entsprechend dem Lösungs-Diffusionsmodell wird die Selektivität primär
dadurch erreicht, dass sich nicht alle Komponenten des Stoffgemisches gleich gut im Membranmaterial
lösen. Ein zweiter Selektivitätsschritt folgt bei der Pervaporation aus der notwenigen
Verdampfung der permeierenden Komponenten. Voraussetzung dafür ist, dass der
permeatseitige Partialdruck der Komponente geringer als der Sattdampfdruck ist. Siedet nur
ein Teil der in der Membran gelösten Komponenten am Betriebspunkt, werden die übrigen
Komponenten nicht desorbiert.
Die Verdampfung hat zur Folge, dass bei der Pervaporation neben dem Stofftransport auch
ein Wärmetransport zu berücksichtigen ist. Die erforderliche Verdampfungsenthalpie wird
dem Feedstrom in Form von Wärme entzogen. Daher ist der Temperaturabfall des
Feedstroms bei der Auslegung größerer Module zu beachten.
Die Berechnung des Permeatflusses erfolgt gemäß der Diffusionsgleichung des Lösungs-
Diffusionsmodells (Gl. 3-10). Der Gradient des chemischen Potentials wird durch Gl. 3-11
ausgedrückt [121, S. 411].
µ
54
kM
xk
k p
R T ln
y p
k
P
0
k
(3-11)
Feedseitig wird mit der Einführung des Aktivitätskoeffizienten k der Nichtidealität des Stoffgemisches
Rechnung getragen wird. Permeatseitig wird darauf verzichtet, da man bei den
geringen Permeatdrücken das Stoffsystem als ideal betrachten kann. Gl. 3-11 veranschau-
licht, dass die Temperatur, die auch in den Sattdampfdruck
p einfließt, und der Partialdruck
der Komponente k auf der Permeatseite die Haupteinflussgrößen des chemischen Potentials
bei der Pervaporation sind.
Um den Partialdruck der permeierenden Komponenten auf der Permeatseite unter den Sattdampfdruck
abzusenken, wird in einer technischen Anwendung in der Regel ein Vakuum
angelegt (Abb. 3-14 a).
Die Vakuumpumpe dient dabei lediglich dazu, die nicht kondensierbaren Gase abzuziehen,
die durch Undichtigkeiten in das System gelangen. Die eigentliche Triebkraft wird durch das
Auskondensieren des Permeatstroms erreicht. Um eine hohe Triebkraft zu erreichen, das
heißt einen geringen Permeatdruck, ist eine niedrige Temperatur im Kondensator erforderlich,
um die Komponenten unter ihre Siedetemperatur abzukühlen. Bei Kondensattemperaturen
unter Umgebungstemperatur muss dazu eine Kältemaschine eingesetzt werden [121, S.
40].
0
k