Citation:
Gul, S. (2011). Application of membrane processes for the concentration of clarified sugar juice [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/161137
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Publication Type:
Thesis - Dissertation
en
Hochschulschrift - Dissertation
de
Language:
English
-
Organisational Unit:
-
Date (published):
2011
-
Number of Pages:
128
-
Keywords:
Membranfiltration/Umkehrosmose/Nanofiltration/Zuckerlösung/Prozessentwicklung/Aufkonzentrierung/Energieersparnis
de
Membrane filtration/Reverse Osmosis Nanofiltration/Sugar solution/Process development/Juice concentration/Energy saving
en
Abstract:
Die Weltzuckerproduktion lag in den Jahren 2010-11 bei 165,681 Millionen Tonnen und es wird erwartet, daß sie für 2011-12 auf 172,370 Millionen Tonnen steigt. Die Zuckerproduktion ist ein energieintensiver Prozeß. Neue Umweltauflagen und hohe Kosten für Primärenergie zwingen Zuckerproduzenten zur Optimierung der Herstellungsverfahren und zur Energieminimierung sowie den Umstieg auf umweltfreundli¬chere Prozesse.
Die derzeitige Methode der Wahl bei der Konzentration des Dünn¬saftes ist Verdamp¬fung. Neben dem hohen Energiebedarf kann sie die Zersetzung der Zuckermoleküle begünstigen, was sich in geringer Qualität und dunkler Färbung niederschlägt.
Der Wasseranteil, der durch Verdampfung entfernt werden muß, liegt in einer Fabrik die Zuckerrüben verarbeitet bei etwa 95%. Typischerweise besteht eine Zuckerrübe aus 75% Wasser (20% werden im Produktionsprozeß hinzugefügt). Die Verdampfung dieser 95% erfordert, auf Grund der hohen Verdampfungswärme von Wasser, enorme Mengen Energie.
Membrantechnologie bietet den Vorteil der Wasserentfernung ohne die Anwendung von Wärme oder Phasenübergängen, allerdings können mit klassischen, druckgetriebenen Membranverfahren keine höheren Konzentrationen als 15-30°Brix, auf Grund der hohen auftretenden osmotischen Drücke, erreicht werden. Das ist deutlich unter den 65-70°B, die durch mehrstufige Verdampfer erreicht werden können. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Membranprozess evaluiert, in dem Dünnsaft von einer Ausgangskonzentration von 15°B auf 50°B bei moderaten transmembra¬nen Drücken aufkonzentriert wird.
Drei Membranen für Umkehrosmose und sechs Nanofiltrationsmembranen wurden zu diesem Zweck untersucht. Die Versuchsergebnisse wurden verwendet um empirische Modellgleichungen zu entwickeln. Die Modellgleichungen sind in der Lage den gemittelten Fluß und die gesammelte Permeatkonzentration für unterschiedliche Konzentrationsbereiche zu berechnen. Die durch die Modellgleichungen vorhergesagten Werte stimmen gut mit experi¬mentellen Ergebnissen überein. Die Modellgleichungen wurden in eine Simulation ei¬nes kompletten, mehrstufigen Membranprozesses implementiert, welche die benötig¬te Membranoberfläche, die notwendige Pumpleistung so wie alle Stoffströme und Konzentrationen im Bereich von 15°B - 50°B abbildet.
Dieser neue, mehrstufige Konzentrationsprozeß verwendet sowohl Membranen mit hohem sowie niedrigen Rückhalt als auch Rückflußströme. Die Ergebnisse wurden mit vordefinierten Eingangs- und Produktkonzentrationen im Bereich 15-50°B optimiert. Weitere Randbedingungen in der Simulation waren möglichst geringe Permeatkonzentrationen (die Permeatströme werden im Prozeß verworfen) und verschiedene Verschaltungen von Membranen mit niedrigem Rückhalt.
Der Gesamtprozeß wurde für minimale spe¬zifische Betriebskosten optimiert. Die notwendige Zahl der Stufen für den gesuchten Konzentrationsbereich unter Beachtung der Permeatkonzentrationen wird auch über diese Optimierung gefunden. Für den Konzentrationsbereich von 15°B bis 50°B bei einer Permeatkonzentration von 0,3°B für eine Eingangstemperatur von 80°C bei einem Druck von 32bar, wird ein dreistufiger Prozeß vorgeschlagen.
Energieeinsparungen bei der Verdampfung und der Vorwärmung von Dünnsaft in der Zuckerrübenindustrie wurden auch dargestellt. Die Einsparungen basieren auf der Anwendung einer neuen, mehrstufigen, druckgetriebenen Membrantechnologie zur Vorkonzentration von Dünnsaft einer Eingangskonzentration zwischen 15°B und 50°B bei einem Druck von 32bar bei einer Temperatur von 80°C. Für die Endkonzentrationen zwischen 50°B und 70°B wurde ein fünfstufiger Verdampfer vorgeschlagen. Der neue Prozeß ist in der Lage ca. 82 Massenprozent Wasser aus dem Dünnsaft zu entfernen, also den gesamten Dünnsaft um 70 Massenprozent zu reduzieren, welcher zu den mehrstufigen Verdampfern geführt wird.
Das verringert nicht nur die notwendige Größe der Verdampfer um ca 70% sondern bewirkt auch eine Energieersparnis von 84% für die Aufkonzentration von Dünnsaft von 15°B auf 70°B. Weiters wird der Energiebedarf und die Wärmetauscherfläche der Dünnsaftvorwärmung um ca.
70% reduziert, weil nur 30% des Dünnsaftes vor der Verdampfung auf den Siedepunkt erhitzt werden. Schlußendlich verringert sich die thermische Zersetzung der Zuckerlösung, was sich positiv auf die Effizienz der Kristallisation auswirkt.
Die derzeitige Methode der Wahl bei der Konzentration des Dünn¬saftes ist Verdamp¬fung. Neben dem hohen Energiebedarf kann sie die Zersetzung der Zuckermoleküle begünstigen, was sich in geringer Qualität und dunkler Färbung niederschlägt.
Der Wasseranteil, der durch Verdampfung entfernt werden muß, liegt in einer Fabrik die Zuckerrüben verarbeitet bei etwa 95%. Typischerweise besteht eine Zuckerrübe aus 75% Wasser (20% werden im Produktionsprozeß hinzugefügt). Die Verdampfung dieser 95% erfordert, auf Grund der hohen Verdampfungswärme von Wasser, enorme Mengen Energie.
Membrantechnologie bietet den Vorteil der Wasserentfernung ohne die Anwendung von Wärme oder Phasenübergängen, allerdings können mit klassischen, druckgetriebenen Membranverfahren keine höheren Konzentrationen als 15-30°Brix, auf Grund der hohen auftretenden osmotischen Drücke, erreicht werden. Das ist deutlich unter den 65-70°B, die durch mehrstufige Verdampfer erreicht werden können. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Membranprozess evaluiert, in dem Dünnsaft von einer Ausgangskonzentration von 15°B auf 50°B bei moderaten transmembra¬nen Drücken aufkonzentriert wird.
Drei Membranen für Umkehrosmose und sechs Nanofiltrationsmembranen wurden zu diesem Zweck untersucht. Die Versuchsergebnisse wurden verwendet um empirische Modellgleichungen zu entwickeln. Die Modellgleichungen sind in der Lage den gemittelten Fluß und die gesammelte Permeatkonzentration für unterschiedliche Konzentrationsbereiche zu berechnen. Die durch die Modellgleichungen vorhergesagten Werte stimmen gut mit experi¬mentellen Ergebnissen überein. Die Modellgleichungen wurden in eine Simulation ei¬nes kompletten, mehrstufigen Membranprozesses implementiert, welche die benötig¬te Membranoberfläche, die notwendige Pumpleistung so wie alle Stoffströme und Konzentrationen im Bereich von 15°B - 50°B abbildet.
Dieser neue, mehrstufige Konzentrationsprozeß verwendet sowohl Membranen mit hohem sowie niedrigen Rückhalt als auch Rückflußströme. Die Ergebnisse wurden mit vordefinierten Eingangs- und Produktkonzentrationen im Bereich 15-50°B optimiert. Weitere Randbedingungen in der Simulation waren möglichst geringe Permeatkonzentrationen (die Permeatströme werden im Prozeß verworfen) und verschiedene Verschaltungen von Membranen mit niedrigem Rückhalt.
Der Gesamtprozeß wurde für minimale spe¬zifische Betriebskosten optimiert. Die notwendige Zahl der Stufen für den gesuchten Konzentrationsbereich unter Beachtung der Permeatkonzentrationen wird auch über diese Optimierung gefunden. Für den Konzentrationsbereich von 15°B bis 50°B bei einer Permeatkonzentration von 0,3°B für eine Eingangstemperatur von 80°C bei einem Druck von 32bar, wird ein dreistufiger Prozeß vorgeschlagen.
Energieeinsparungen bei der Verdampfung und der Vorwärmung von Dünnsaft in der Zuckerrübenindustrie wurden auch dargestellt. Die Einsparungen basieren auf der Anwendung einer neuen, mehrstufigen, druckgetriebenen Membrantechnologie zur Vorkonzentration von Dünnsaft einer Eingangskonzentration zwischen 15°B und 50°B bei einem Druck von 32bar bei einer Temperatur von 80°C. Für die Endkonzentrationen zwischen 50°B und 70°B wurde ein fünfstufiger Verdampfer vorgeschlagen. Der neue Prozeß ist in der Lage ca. 82 Massenprozent Wasser aus dem Dünnsaft zu entfernen, also den gesamten Dünnsaft um 70 Massenprozent zu reduzieren, welcher zu den mehrstufigen Verdampfern geführt wird.
Das verringert nicht nur die notwendige Größe der Verdampfer um ca 70% sondern bewirkt auch eine Energieersparnis von 84% für die Aufkonzentration von Dünnsaft von 15°B auf 70°B. Weiters wird der Energiebedarf und die Wärmetauscherfläche der Dünnsaftvorwärmung um ca.
70% reduziert, weil nur 30% des Dünnsaftes vor der Verdampfung auf den Siedepunkt erhitzt werden. Schlußendlich verringert sich die thermische Zersetzung der Zuckerlösung, was sich positiv auf die Effizienz der Kristallisation auswirkt.
World sugar production in the year 2010-11was 165.681 million tons and is expected to be 172.370 million tons in 2011-12. Sugar manufacturing is an energy intensive process. New environmental legislations and high fuel prices are forcing sugar manufacturers to improve the sugar manufacturing process to minimize energy consumption and use environmentally friendly processes. The current method of concentrating thin sugar juice is evaporation. Besides high energy consumption, it may cause decomposition of sugar molecules resulting in low quality and dark coloured sugar. The amount of water to be removed by evaporation in a beet sugar factory is about 95 %. Typically, 75 % of beet is water and about 20 % water is added during the production processes. Evaporating this 95 % water consumes enormous amounts of energy due to the high latent heat of water. Membrane technology offers the advantage to remove water from the solutions without the application of heat and phase change. However, it cannot reach concentrations larger then 25-30°Brix in the classical pressure-driven membrane process due to limitations caused by high osmotic pressure, which is quite below 65-70°B achieved e.g. by multiple effect evaporation. In the present work a novel multistage membrane process has been evaluated to concentrate thin sugar juice from an initial feed concentration of 15°Brix to 50°Brix with moderate transmembrane pressure. Three reverse osmosis and six nanofiltration membranes have been investigated for this purpose. The experimental results have then been used to develop empirical model equations. The modeled equations are capable to predict the average flux and collective permeate concentrations for different concentration ranges. The predicted results from the modeled equations are in good agreement with experimental results. The modeled equations are used in a simulation of the complete multistage membrane concentration process to predict the membrane area and pumping energy requirements for each stage and the complete process for the concentration range of 15°B to 50°B. The novel multistage concentration process uses both high and low rejection membranes with recycle streams. Therefore, the results were then optimized with predefined feed and desired product concentration ranges (15°B to 50°B) with limitations of permeate concentration (the permeate stream is discarded from the process) and different installation configurations of low rejection membranes for minimum specific operating costs.
The required number of stages for the desired concentration range and permeate concentration limitations can also be found by the results of this optimization. For the concentration range of 15°B to 50°B and 0.3°B permeate concentration at 80°C and 32 bar pressure, a 3-stage process has been suggested. Energy savings in evaporation and thin juice preheating in the beet sugar industry have been also presented. The savings are based on the application of a new multistage pressure-driven membrane technology for pre-concentration of thin sugar juice from initial feed concentration of 15°B to 50°B at moderate pressure of 32 bar and 80°C. For final concentration from 50°B to 70°B, a 5-effect evaporator has been considered. The new process is capable to remove about 82 w% of water from thin sugar juice, thus, decreases the total amount of thin juice by 70 w% to be sent to a multiple-effect evaporator. This will not only decrease the size of evaporators by about 70 % but the novel hybrid membrane-evaporation process will also save about 84 % energy for concentrating clarified thin juice from 15°B to 70°B. Furthermore, the energy consumption and heating area requirement of thin sugar juice preheating will also be decreased by about 70% because only 30 % of the thin juice will be heated to boiling points before evaporation.
Consequently this will decrease the thermal degradation of sugar juice and will positively affect the efficiency of the crystallization step.
The required number of stages for the desired concentration range and permeate concentration limitations can also be found by the results of this optimization. For the concentration range of 15°B to 50°B and 0.3°B permeate concentration at 80°C and 32 bar pressure, a 3-stage process has been suggested. Energy savings in evaporation and thin juice preheating in the beet sugar industry have been also presented. The savings are based on the application of a new multistage pressure-driven membrane technology for pre-concentration of thin sugar juice from initial feed concentration of 15°B to 50°B at moderate pressure of 32 bar and 80°C. For final concentration from 50°B to 70°B, a 5-effect evaporator has been considered. The new process is capable to remove about 82 w% of water from thin sugar juice, thus, decreases the total amount of thin juice by 70 w% to be sent to a multiple-effect evaporator. This will not only decrease the size of evaporators by about 70 % but the novel hybrid membrane-evaporation process will also save about 84 % energy for concentrating clarified thin juice from 15°B to 70°B. Furthermore, the energy consumption and heating area requirement of thin sugar juice preheating will also be decreased by about 70% because only 30 % of the thin juice will be heated to boiling points before evaporation.
Consequently this will decrease the thermal degradation of sugar juice and will positively affect the efficiency of the crystallization step.
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