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5. Mechanische Prozesse

Quelle: A. Behr, D. W. Agar, J. Jörissen, Einführung in die Technische Chemie, Spektrum Verlag, Heidelberg 2010

Mischen

Allgemeines:

Gehört zu den wichtigsten Prozesse in der chemischen Verfahrenstechnik

z.B. - Mischen der Edukte für chemische Reaktion - Zu- oder Abführung von Reaktionswärme - Endprodukt-Konfektionierung (Mischprozess beeinflusst Produktqualität)

Alle Kombinationen sind möglich:

- Flüssigkeiten: ineinander gelöst oder in mehreren Phasen - Flüssigkeiten hoher Viskosität, z.B. Polymerschmelzen - Flüssigkeiten mit Feststoffen, bis zu teigartigen Massen - Flüssigkeiten mit Gasen (mit und ohne Feststoffe) - Feststoffe mit Gase (auch mehrere)

Wichtigstes Mischverfahren: Rühren

Spezialverfahren: - Dispergieren - Gaseinblasen - Statisches Mischen


Bedeutung

Beeinflussung des Ablaufs chemischer Reaktionen:

Art und Menge (Konzentrationsverhältnisse) der Reaktanden

Reaktionsmilieu (= Reaktionsumgebung, z.B. Lösungsmittel)

Temperatur

Druck

Katalysator

&

Mikrokinetik (chemische Reaktionskinetik)

Makrokinetik (Geschwindigkeit des Stofftransports: damit Moleküle miteinander reagieren müssen sie durch Transportvorgänge in die Reichweite ihrer molekularen Kräfte kommen (Größenordnung: einige 10-8 cm))

Offensichtlich bei mehrphasigen Reaktionen, wo die Reaktionspartner an der Phasengrenze zusammenkommen müssen: G-L- oder S-G-Reaktionen

Wie ist das bei flüssig-flüssig (L-L) Reaktionen?

Prozesse bei Reaktion in homogen-flüssiger Phase

Üblicherweise wird vereinfachend angenommen, dass der Reaktionsansatz (= Edukte) an jedem Ort des Reaktors bis in den molekularen Bereich hinein homogen vermischt ist.

Dies gilt nur: -nach einer gewissen Zeit nach Zusammengabe

-bei guter, schneller Durchmischung (Rühren, etc.)

-bei nicht zu schnellen Reaktionen

Es gilt nicht: -in hochviskosen Medien (wg. schlechter Durchmischung)

-bei sehr schnellen chemischen Reaktionen (Relaxationszeiten von nur wenigen Sekunden)

Def.: Relaxationszeit: Zeit, die vergeht bis eine signifikante Größe im Prozess den (1-e-1)-ten Teil (≅ 63%) ihrer Änderung vom Anfangs- bis zum Endwert (t = ∞) zurückgelegt hat.

Über den Vergleich der Relaxationszeiten wird festgestellt, ob ein Teilschritt eines Prozesses geschwindigkeitsbestimmend (mehrere Teilprozesse bestimmen Kinetik des Gesamt-vorganges) oder sogar geschwindigkeitslimitierend (nur ein Teilprozess bestimmend) ist.

Stationäre und instationäre Ströme

Anwendung in der „Kontinuitätsgleichung“: Massenerhaltungssatz (ohne chem. Reaktionen) siehe dort!

Zeitl. Änderung an Masse, Impuls, Energie

==

Zustrom AbstromStationärer Strom

≠≠

Zustrom AbstromInstationärer Strom

Zustrom an Masse, Impuls, Energie

Abstrom an Masse, Impuls, Energie

= -

Nettofluss

Laminare / Turbulente Strömung

Die laminare („geradlinige“) Strömung (lat.: lamina „Platte“) ist die Bewegung von Flüssig-keiten und Gasen, bei der keine Turbulenzen (Verwirbelungen/Querströmungen) auftreten.

Das Fluid strömt in Schichten, die sich nicht vermischen.

Bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit u handelt es sich meistens um eine stationäre Strömung.

Bei der turbulenten Strömung (lat. turbulentus „unruhig“) gibt es eine verstärkte Diffusion aufgrund von Fluktuationsbewegungen. Sie liegt um mehrere Zehnerpotenzen über der molekularen Diffusion.

Molekulare Strömung herrscht, wenn die mittlere freie Weglänge von Gasteilchen deutlich größer ist als der Durchmesser der Strömung. Sie ist im Hoch- und Ultrahochvakuumbereich vorherrschend, also bei Hochvakuumpumpen.

Druckverluste bei laminarer / turbulenter Strömung

Der Druckverlust ▵p ist bei einer laminaren Rohrströmung nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille proportional zur mittleren Geschwindigkeit u:

lΔp

8ηrπ

Audt

AdsdtdV

⋅⋅

=⋅=⋅

=4

mit: dV/dt = Volumenstrom durch das Rohr λ = Reibungszahl (hier des Rohres) u = ds/dt: charakteristische Strömungsgeschwindigkeit mit: in der Zeit t zurückgelegten Stecke s A = durchflossener Rohrquerschnitt: = πr2

η = dyn. Viskosität, ρ = Dichte (der strömenden Flüssigkeit) ∆p = Druckdifferenz zw. Anfang und Ende des Rohres l = Länge, r = Innenradius (des Rohres), 2r = Innendurchmesser

uρ2rlλΔ

p ⋅⋅⋅= 2

Bei einer turbulenten Strömung ist der Druckverlust proportional zum Quadrat der mittleren Strömungsgeschwindigkeit u. Ein empirischer Ansatz für die Rohrströmung liefert:

Laminare / Turbulente Strömung: Reynolds-Kriterium

Der Physiker Osborne Reynolds hat im Jahr 1883 experimentell festgestellt, dass sich Verwirbelung erst ab einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit u einstellt.

Beurteilungskriterium ist die Reynolds-Zahl Re:

Re is dimensionslos.

Ab einer kritischen Reynolds-Zahl Rekrit wird die laminare Strömung instabil gegenüber kleinen Störungen (= Strömungsinstabilität).

Zylindrische Rohrströmung (glattes Rohr): Rekrit ≈ 2315; Re < 2315: laminare Strömung, bzw. Re > 2315: turbulente Strömung

Zylindrische Rohrströmung (rauhes Rohr): Rekrit ≈ 10000 (Jede Oberflächenunebenheit ist ein „Staupunkt“ an dem die turbulente Strömung wieder zur laminaren Strömung wird.),

Überströmte tangentiale Platten: Rekrit ≈ 2750

Schüttschicht: Rekrit ≈ 20.

ηρluRe c ⋅⋅

=mit: u = ds/dt: charakteristische Strömungsgeschwindigkeit, lc = charakteristische Länge (z.B. Länge des Strömungskörpers in Strömungsrichtung) ρ = Dichte, η = dynamische Viskosität des Fluids

Re ~1/ λ; mit λ = Reibungszahl

Laminare / Turbulente Strömung: Beispiele

Beispiele: Turbulente Strömungen bei Wirbel und Strudel in Flüssen. Die Milch im Kaffee mischt sich ebenfalls mit einer turbulenten Strömung. Laminare Strömung bei langsamen Strömungsgeschw. im Blutkreislauf oder Grundwasser. Die Mischung von 2 Farben entspricht meist einer lam. Mischung durch molekulare Diffusion. Der Rauch einer Zigarette in einer ruhenden Umgebung zeigt anfänglich eine laminare Strömung, die nach einer bestimmten Steighöhe dann deutlich sichtbar turbulent wird. In der Industrie finden turbulenzarme (quasi-laminare) Strömungen überall dort Anwendung, wo Verschmutzungen der Produkte durch in der Luft vorhandenen Partikel (Partikelverwir- belung!) vermieden werden sollen (z.B. in Reinräumen: Halbleitertechnologie, Medizin, Biochemie und Technologie)

Prozesse bei Reaktion in homogen-flüssiger Phase

In flüss. Phase gibt es der chemischen Reaktion vorgelagerte Teilschritte:

A) Makrovermischung durch Konvektion: 2 Lösungen A und B: Die Volumenelemente werden mittels konvektiver Strömung (durch Rührer, Pumpe, etc.) in turbulenter Strömung vermischt und im Reaktor verteilt. Dabei werden die Volumenelemente immer kleiner, bestehen aber immer noch aus A und B.

B) Mikrovermischung durch Diffusion: Durch Vergrößerung der Kontaktzone kann jetzt ein diffusiver Stofftransport zur weiteren Homogenisierung beitragen.

C) Letztlich bildet sich eine Reaktionszone aus, in der alle Reaktanden nebeneinander koexistieren und die chemische Umwandlung stattfindet. In einem Lösungsmittelkäfig treffen A und B zusammen und bilden den Begegnungskomplex. Während der Komplexlebensdauer (10-11 – 10-12 s) stoßen A und B miteinander zusammen und bei günstigen energetischen (entsprechende Aktivierungsenergie) und sterischen Bedingungen führen die Stöße zur Reaktion.

Quelle: A. Roessler. P. Rys, Chemie in unserer Zeit 2001 Nr. 5 Seite 314

Mischungsmaskierte Reaktionen

Bei der Diskussion von Reaktionsmechanismen und -Geschindigkeiten werden in der Literatur nur die Vorgänge im Lösungsmittelkäfig diskutiert. Dies ist nur zulässig, wenn Vermischung und Bildung des Begegnungskomplexes viel schneller als die chem. Reaktion ablaufen. Häufig ist das nicht der Fall.

Dann gibt es zwei unterschiedliche Szenarien:

1) Mischungsmaskierte Rkt.: Die Vermischungsgeschwindigkeit der Reaktionslösung bestimmt die beobachtete „Reaktionsgeschwindigkeit“.

Mischungslimitierte Rkt.: Die gemessene Geschwindigkeit wird nur von der Geschwindigkeit des Vermischungsprozesses bestimmt.

2) Begegnungslimitierte Rkt.: Bildung des Begegnungskomplexes ist langsamster Teilschritt

Wenn die Kinetik der Vermischung und die Kinetik der chemischen Reaktion die Gesamtkinetik bestimmen, dann spricht man von einer Kopplung von Makrokinetik mit Mikrokinetik.

Mischungsvorgänge können Produktverteilung und Selektivität von Reaktionen beeinflussen.

Diffusionsmaskierte Reaktionen Um herauszufinden, ob eine Rkt. mischungsmaskiert ist, genügt es im Prinzip die Produkte-verteilung als Funktion der Vermischung (Drehzahl des Rührers, Reynolds-Zahl) zu analysieren.


Für eine detaillierte Aussage müssen die Relaxationszeiten der vorgelagerten Teilprozesses verglichen werden. Die Relaxationszeiten der strömungsbedingten Makrovermischung τK und der Mikrovermischung τM sind:

τK = N-1 A (N: Drehzahl des Rührers und A: Funktion der Geometrie des Reaktionsgefäßes)

τM = β R2 D-1 (D: Diffusionskoeffizient, R: mittl. Durchmesser der Flüssigkeitsvolumen-elemente gemittelt über den geometrischen Proportionalitätsfaktor β)

Industriekessel Pilotanlagenkessel Laborgefäß τK : ca. 10 – 100 s 1 – 10 s 0.1 – 1 s τM : ca. 1 – 10 s 0.1 – 1 s 0.01 – 0.1 s

Mischungsmaskierte Reaktion


Selektivität: Kompetitiv konsekutives Reaktionssystem

Links: Die vorgelagerte Diffusion ist schneller als die Reaktion. A und B sind gut gemischt, bevor die Rkt. startet. Es entsteht vorwiegend R, da lokal nicht genug B für die Rkt. zu S da ist.

Rechts: Bei rascher Rkt. beginnt die Umsetzung von A mit B bevor vollständig durchmischt ist. An der Reaktionszone A/B entsteht R, welches aufgrund des lokalen Überschusses an B zu S weiterreagiert. Größere Mengen an R könnten nur entstehen, wenn die Reaktanden A und B schneller durch die Reaktionszone (R) diffundieren, als R mit B weiterreagiert. Durch intensives Rühren könnte man allerdings die Vermischung von A und B beschleunigen und mehr R erhalten.

Äquimolare Mengen an A und B

Mischverfahren: Rühren Laborglasverfahren: KPG- oder Magnetrührer Der Inhalt rotiert mit dem Rührer („Trombe“), d.h. der Energiebedarf ist groß und die Effizienz ist klein.

Propellerrührer (a) mit axialer Strömung und Scheibenrührer (b) mit radialer Strömung, für Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität. Durchmesser ca. 20-40% des Kessel-∅, schneller Umlauf mit 3–12 m/s bewirkt turbulente Strömung.

Axiale Strömung im Propellerrührer verhindert das Absitzen im Rührkessel ⇒ Suspensionen.

Radiale Strömung der Scheibenrührer fördert die Zerteilung von Gasblasen ⇒ Reaktionen mit Gas

Ankerrührer (c) für hohe Viskositäten. Läuft langsam und dicht an der Behälterwand entlang, um Ablagerungen zu vermeiden und Wärmeübergang von der Wand in Kessel zu verbessern.

Hohe Viskositäten z.B. bei Klebstoff, Kosmetika, Senf, Schokolade, u.ä.


Technische Details:

Strömungsbrecher verhindern, dass der Kesselinhalt mit dem Rührer rotiert.

Rührwerk: Lagerung der Rührwelle, meist oberhalb des Kessels angebracht.

Wellendichtung: entscheidend für Betriebssicherheit, ggf. hoher Verschleiß (Standzeit bei Austausch ⇒ Kosten!)

Mischverfahren: Dispergieren


Dispergieren: durch hohe Scherkräfte erzielt man eine Durchmischung und feinste Verteilung (Dis-persion) von nicht miteinander löslichen Phasen.

„Öl-in-Wasser-Emulsion“, z.B.: Homogenisieren von Milch durch Verteilung der Fett-Tröpfchen.

„Wasser-in-Öl-Emulsion“, z.B.: Hautcreme

Dispergiergerät (A): 2 konzentrische Ringe. Innerer Ring („Rotor“) rotiert mit hoher Drehzahl. Große Scherkräfte treten auf, weil das Stoffge-misch durch die Schlitze (b) des Rotors (a) nach außen geschleudert wird (grüne Pfeile). Dabei begegnen sich die scharfen Kanten der Schlitze (b) und (d) des Rotors (a) und des äußeren Rings (Stators= (c) bei hoher Geschwindigkeit und bei geringem Abstand, so dass die Tröpfchen bzw. festen Partikel im Stoffgemisch über Scherkräfte zerteilt werden.

Zu hohe Scherkräfte können schädlich sein, z.B. beim Arbeiten mit lebenden Zellen (im „Fermenter“). Hier nur vorsichtiges Rühren!

Mischverfahren ohne mechanisch bewegte Teile


Statischer Mischer (B): Das Mischrohr enthält Um-lenkkörper (e) (f), die in unterschiedlichen Formen und (sehr großen) Dimensionen verfügbar sind.

Schon bei laminarer Strömung ohne Scherkräfte wird durch wiederholtes Teilen, Umlagern und Wiederzusammenführen der unterschiedlichen Stoffströme eine rasche Vermischung erreicht.

Statische Mischer mit turbulenter Strömung sind noch effektiver.

Airlift-Schlaufenreaktor (C): Beispiel für das Ein-blasen von Gasen zur Vermischung. Gas wird durch Düsen in das innere Rohr eingeleitet. Das entstehende Gas-Flüssigkeitsgemisch hat eine deutlich geringere Dichte als die gasfreie Flüssigkeit außerhalb des Rohrs. Dadurch entsteht ein heftiger Umlauf mit starker Rührwirkung

Beispiel: Biologische Kläranlagen: Luftsauerstoff wird eingeblasen. Typische Reaktorgröße in der chemischen Industrie: 30 m Höhe, 30 m ∅.

Kolbenpumpe


Kolbenpumpe: Funktioniert wie eine Brunnen- pumpe. Wenn sich der Kolben (f) nach links be- wegt, schließt sich das Druckventil (c) und im Zylinder (e) sinkt der Druck, so dass die am Einlass (a) anstehende Flüssigkeit das Saugventil (b) öffnet und in die Pumpe einströmt. Sobald der Kolben (f) wieder nach rechts geht, schließt das Saugventil (b) und verhindert den Flüssigkeits-rückstrom. Im Zylinder (e) steigt der Druck an, die Flüssigkeit öffnet das Druckventil (c) und fließt aus Auslass (d).

Häufig Kugelventile, die nur in Flüssigkeiten ohne Feststoff zuverlässig sind. (g): Kolbendichtung

Förderung ist stark pulsierend. Ein Ausgleich kann durch einen „Windkessel“ in der Auslassleitung erreicht werden, wo ein Gaspolster die Druckstös-se ausgleicht. Zur Glättung des Förderstroms wer-den oft mehrere Pumpeinheiten (mit Phasen- verschiebung) im Antrieb parallel geschaltet

Die Drehzahl des Antriebs (Elektromotor) variiert die Förderleistung.

Vorteile der Kolbenpumpe: i) Erreichen extrem hohe Drücke ii) Energetischer Wirkungsgrad bis zu 95 %. iii) Förderstrom wird genau eingehalten; sie sind deshalb als Dosierpumpen geeignet.

Membranpumpe


Membranpumpe: ist hermetisch dichte Pumpe! Eigenschaften und Funktion analog Kolbenpumpe bis auf den Unterschied: Die Membran (h) trennt das Fördermedium vollständig vom Kolben (f) und Zylinder (i) ab. Der Kolben (f) hat die Aufgabe die Kraft des Antriebs über Hydraulikflüssigkeit (j) auf die Membran zu übertragen.

Vorteil gegenüber der Kolbenpumpe: Hochaggressive oder gefährliche Flüssigkeiten kommen mit dem Teil links von der Membran nicht in Kontakt, so dass der Zylinder (i) und der Kolben (f) kostengünstig aus Stahl hergestellt werden können. Der Teil rechts der Membran muss aus chemisch beständigen Materialien bestehen bzw. ausgekleidet werden, z.B. PTFE.

Die Membran besteht aus Metallblech oder PTFE- beschichteten Elastomeren.

Für eine hohe Fördergenauigkeit sind Vorkehrungen zu treffen, dass keine Gase in den Förderraum der Pumpe gelangen.

Radiale Kreiselpumpe

Wirkung beruht Zentrifugalkraft (engl.: centrifugal pump). Die Flüssigkeit strömt durch den Einlass (a) senkrecht auf das Laufrad (c) zu, wird dort durch dessen Schaufeln in Drehbewe-gung versetzt und nach außen geschleudert, so dass rund um das Laufrad im Pumpenge-häuse (d) und im Auslass (b) ein gegenüber dem Einlass (a) erhöhter Druck entsteht.

Die Flüssigkeit hat durch die Drehbewegung eine hohe Geschwindigkeit in Richtung Laufrad. Dadurch wird die Zentrifugalkraft erzeugt und nach dem Verlassen des Laufrades auch der Weitertransport des Förderstroms verstärkt.

Wird eingesetzt in Heiz- und Kühlkreisläufen im Auto oder Haus.


Radiale Kreiselpumpe

Für einen hohen energetischen Wirkungsgrad (>90%) müssen die Form des Gehäuses und des Laufrades mit seinen Schaufeln optimal abgestimmt sein. Alle Trägheitskräfte der bewegten Flüssigkeit müssen zur Beschleunigung des Förderstroms genutzt werden, und jede Verwirbelung ist möglichst zu vermeiden. Denn alle Energieverluste durch ungünstige Strömungsverhältnisse führen zur Erwärmung des Fördermediums.

Bei Gasgehalten von wenigen % im Laufrad bricht die Förderung der Pumpe zusammen.

Die Wellendichtung (g) ist ein Verschleißteil. Pumpen müssen redundant ausgelegt werden, d.h. eine 2. Pumpe ist über ein Absperrventil angeschlossen und wird im Störfall aktiviert.


Verdrängerpumpen: Kolben-, Membranpumpe, Zahnradpumpe

- Bewirken einen bestimmten Volumenstrom

- Dadurch entsteht ein Differenzdruck (zwischen dem Überdruck des Apparates in den gefördert wird und den Strömungswider- ständen im Leitungssystem), den die Pumpe überwinden muss.

- Dieser Druck hat nur eine geringe Rückwirkung auf den Förderstrom

- Verdrängerpumpen sind zwangsfördernd. Sie dürfen niemals mit verschlossener Auslassleitung betrieben werden, denn dann könnte der Druck bis zur Beschädigung der Pumpe steigen.

- Verdrängerpumpen liefern einen mehr weniger pulsierenden Förderstrom

Verdrängerpumpen vs. Kreiselpumpen

Kreiselpumpen: Axiale und radiale Kreiselpumpe, Seitenkanalpumpe

-Bewirken eine Druckerhöhung - Dadurch entsteht ein Förderstrom - Die Druckerhöhung beeinflusst die Größe des Förderstroms: Durch Druckdrosselung kann der Förderstrom justiert bzw. durch Schließen einer Leitung auch gestoppt werden, ohne die Anlage zu beschädigen.

- Bieten pulsationsfreie Förderung - Es treten höhere Scherkräfte als in Verdrängerpumpen auf - Für Dosierzwecke brauchen sie eine Anlage zur Messung und Regelung des Förderstroms - In chemischen Anlagen häufiger eingesetzt als Verdrängerpumpen

Verdrängerpumpen vs. Kreiselpumpen

Spezialpumpen: Verdrängerpumpen


Drehschieberpumpe oder Flügelzellenpumpe: für Gase und Flüssigkeiten. Sie besteht aus einem Hohlzylinder (Stator), in dem ein weiterer Zylinder (Rotor) rotiert. Die Drehachse des Rotors ist dabei exzentrisch zum Stator angeordnet. Die Schieber des Rotors berühren die Innenwand des Stators zwischen Einlass- und Auslassöffnung. Diese Stelle ist die Trennstelle zwischen Saug- und Druckstutzen. Wenn Ölschmierung benötigt wird, wird diese Pumpe auch Ölpumpe genannt. Öl wird kontinuierlich in den Pumpenraum do- siert und wird vom Fördermedium (z.B. Luft bei einer Vakuumpumpe) getrennt zurückge- führt. Mit Öl mischbare Fördermedien reichern sich im Öl an (Ölwechsel!)

Zahnradpumpe: für viskose Flüssigkeiten. Wird in vielen Variationen eingesetzt, z.B. als Ölpumpe. Die Förderung erfolgt in den Lücken zwischen den Zähnen und der Gehäusewand, während sich die Zähne in der Mitte abdichten.

Zahnrad- und Drehschieberpumpen liefern hohe Drücke und sind pulsationsarm.

[Quelle Abb: Gmehling, Brehm Grundoperationen]

Spezialpumpen: Kreiselpumpen


Seitenkanalpumpe: Benutzt ausschließlich Trägheitskräfte zur Förderung.

Das Laufrad (d) mit geraden Schaufeln beschleunigt die Flüssigkeit im Seitenkanal (e). Zwischen Ein- und Auslass ist der Seitenkanal (e) unterbrochen, so dass die Flüssigkeit in den Auslass strömt.

Wenn die Flüssigkeit nicht frei in den Auslass strömen kann, werden die Trägheitskräfte der schnell fließenden Flüssigkeit beim Abbremsen in eine Drucksteigerung umgewandelt.

Der Wirkungsgrad der Pumpe liegt bei nur 50%.

Vorteile: - Es ist eine hohe Druckerhöhung erreich-bar. – - Pumpe kann gashaltige Flüssigkeiten fördern.

Bei der axialen Kreiselpumpe wird Flüssigkeit wie bei einem Schiffspropeller oder Ventilator in axialer Richtung transportiert.

Kavitation Kavitation (lat. cavitare „aushöhlen“) ist die Bildung und Auflösung von Hohlräumen in Flüssigkeiten durch Druckschwankungen. Man unterscheidet zwei Grenzfälle, zwischen denen es viele Übergangsformen gibt.

1) Bei der Dampfkavitation oder harten Kavitation enthalten die Hohlräume hauptsächlich Dampf der umgebenden Flüssigkeit. Solche Hohlräume fallen unter Einwirkung des äußeren Drucks per Blasenimplosion zusammen (= „mikroskopischer Dampfschlag“).

2) Bei der weichen beziehungsweise stabilen Gaskavitation treten in der Flüssigkeit gelöste Gase in die Kavitation ein und dämpfen oder verhindern deren Kollaps.

Die Dampfkavitation ist ein Problem von Kreiselpumpen und schnell laufenden Rührern.

Durch die Strömung kann an einer Laufradschaufel oder einem Rührer ein Unterdruck entstehen. Wenn der Unterdruck ausreicht, um die Flüssigkeit zum Sieden zu bringen, bilden sich Dampfblasen, die implodieren, sobald der Druck bei weiterer Bewegung steigt. Die umgebende Flüssigkeit wird dabei auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt und trifft wie ein Hammerschlag auf Anlageteile, was zu Materialschäden führt.

Die Kavitationsgefahr ist groß, wenn Flüssigkeiten nahe des Sdp. gepumpt/gerührt werden.

Die Pumpe muss so ausgelegt sein, dass kein Unterdruck in der Ansaugleitung entsteht.

Durch Steigerung des Gesamtdrucks kann die Kavitation ebenfalls unterdrückt werden.

Ventilatoren – Gebläse – Verdichter

Ventilatoren (Lüfter): fördern große Luftströme mit geringen Druckdifferenzen, z.B. Kühlluft oder Absaugung von Abgasen und Stäuben (Abzug, Digestorium; Schweiz: Kapelle, engl. fume hood).

Sie arbeiten axial (wie Zimmerventilator) oder radial (wie Kreiselpumpe).

Gebläse: für Gastransport in Gasleitungen. Typischerweise werden Radialgebläse mit bis zu 3 bar eingesetzt.

Verdichter (Kompressoren): für Drücke >1000 bar, wichtig für alle Prozesse, bei denen Gase umgesetzt werden. Bei der Gaskompression ist zu beachten:

a) Im Gegensatz zu einer Flüssigkeit, ruft eine Drucksteigerung eine Gaserwärmung hervor.

b) Mit steigendem Druck nimmt die Dichte des Gases zu (und das Gasvolumen ab).

c) Hohe Drücke benötigen mehrere Kompressorstufen.

d) Gasförmige Verunreinigungen (z.B. H2O) können bei hohem Druck verflüssigt werden. Die kondensierte Flüssigkeit muss entfernt werden, um Schäden zu vermeiden.

Hubkompressoren sind analog Kolbenpumpen gebaut, Membrankompressoren wie Membranpumpen, (vielstufige) Turbokompressoren wie axiale oder radiale Kreiselpumpen.

Vakuum

Umgebungsdruck: 1013,25 mbar (hPa)

Grobvakuum: 300 mbar (hPa): Drehschieberpumpe, Wasserstrahlpumpe

Feinvakuum: 1…10−3 mbar (hPa): Sperrschieberpumpe

Hochvakuum (HV): 10−3…10−7 mbar (hPa): Turbomolekularpumpe (TMP)

Ultrahochvakuum (UHV) 10−7…10−12 mbar (hPa):

extrem hohes Vakuum (XHV): <10−12 mbar (hPa):

Technisch gesehen sind Vakuumpumpen eigentlich keine Pumpen, sondern Verdichter. Vakuum kann deshalb mit den genannten Kompressoren erzeugt werden.

Durch Hintereinanderschaltung mehrerer Pumpentypen

Sedimentieren - Zentrifugieren - Filtrieren

3 Verfahren zur Abtrennung von Feststoffen aus Flüssigkeiten (Mix: Suspensionen):

I. Sedimentation („Absetzung“): Einfachste, aber auch raum- und zeitaufwendigste Methode. Ausnutzung des Dichteunterschieds. Z.B. Absetzung des Klärschlamms in Absetzbecken.

II. Zentrifugieren: Beschleunigung der Sedimentation mit Hilfe der Fliehkraft. Auch Trennung von flüssigen Phasen ist möglich, z.B. von Sahne und Magermilch aus Vollmilch.

III. Filtrieren: Trennung beruht auf Unterschieden in der Teilchengröße.

Filtermittel:

Filterpapier (Labor)

Filtergewebe aus Metall oder Kunststoffdrähten (Technik)

Membranen (Ultrafiltration)

dicke Filterschichten (Tiefenfiltration, z.B. Kiesfilter für Wasser)

Kuchenfiltration - Filterhilfsmittel

Kuchenfiltration:

Häufige Anwendung in der Industrie, insbesondere wenn die Poren des Filtergewebes zu groß sind.

Ein Filterkuchen wird von den auf einem Filter zurückgehaltenen Feststoffen gebildet. Der Filterkuchen wächst im Laufe der Filtration an, wird "dicker", da kontinuierlich Feststoffe zurückgehalten werden. Insbesondere wächst der Filterkuchen, wenn das Filtrat in die Suspension des Feststoffes („Trübe“) zurückgeführt wird. Mit zunehmender Schichtdicke des Filterkuchens ergibt sich eine verbesserten Abscheidung des Feststoffes, da der Filterkuchen immer schlechter durchlässig wird. Durch Waschen wird die Reinheit des Filterkuchens erhöht.

Negativer Effekt des Filterkuchens ist ein steigender Strömungswiderstand, deshalb kann die Filtratrückführung nur wenige Male wiederholt werden.

Filterhilfsmittel, wie Kieselgur, Cellulosefasern oder Sägemehl können den Filter bei feinen oder schlammartigen Suspension länger durchlässig halten

(nur, wenn Filtrat das Produkt ist).

Diskontinuierlich arbeitende Filtrationsapparate Rahmenfilterpresse: Häufig industriell verwendet.

Die Suspension wird unter Druck in die Filter-rahmen (b), die auf beiden Seiten durch Dichtun-gen (c) abgedichtet sind, eingeleitet. Der Filterku-chen (f) sammelt sich auf den Filtergeweben (e), die beidseitig um die Filterplatten (d) gelegt sind.

Die Filterrahmen (b), Filterplatten (d) und Filter-gewebe (e) haben im oberen Bereich Bohrungen, aus denen sich über den ganzen Stapel Kanäle für die Zufuhr der Suspension bilden. Die Filterplatten (d) stützen die Filtergewebe (e) gegen den Druck der Suspension und lassen das Filtrat durch senk-rechte Rillen abfließen.

Der Stapel wird mit den Spannplatten (a) hydrau-lisch zusammengepresst. Sobald die Filterkuchen (f) die vorgesehene Dicke haben, wird mit Wasch-flüssigkeit gewaschen und dann die Filterpresse geöffnet, um die Filterkuchen zu entnehmen.

Drucknutschen sind ähnlich aufgebaut wie Labor-nutschen (Büchnertrichter), sind aber bis zu 15 m2 groß. Sie arbeiten auch diskontinuierlich!


- basiert auf Kuchenfiltration - diskontinuierlicher Prozess - Rahmenfilterpresse besteht aus einem Stapel an Filtereinheiten.

Filtrationsapparate: Vakuum-Trommelfilter


Im Vakuum-Trommelfilter laufen die Teilvorgänge der Kuchenfiltration kontinuierlich nacheinander ab.

Die Suspension wird in den Trog (a) geleitet und durch den Rührer (b) gehindert, sich abzusetzen. Die bis zu 8 m lange und 5 m ∅ breite Trommel (c) besteht außen aus mit einem Filtergewebe bespann-ten Sieben. Sie ist in Sektoren eingeteilt und dreht sich langsam. Durch Vakuum im Inneren bildet sich im unteren Bereich, der in die Suspension eintaucht, der anwachsende Filterkuchen (d). Im oberen Be-reich der Trommel wird der Filterkuchen mit Wasch-flüssigkeit mittels der Brausen (e) besprüht und dann durch das Schälmesser (f) entfernt. Steuerkopf (g) ist Verteilerventil für die Sektoren (Bereiche):

Bereich 1: Vakuum: Das wegen des erst beginnenden Filterkuchens noch trübe Filtrat wird in die Suspension zurückgeführt.

Am Ende der Bereiche 2 und 3: Zur Entfernung von Flüssigkeit wird Luft durch den Filterkuchen gesaugt.

Bereich 2: Vakuum: Das klare Filtrat wird abgeführt. Bereich 4: Überdruck: lockert den Filter, der vom Schälmesser (f) abgehoben wird.

Bereich 3: Vakuum: Benutzte Waschflüssigkeit wird zur Aufbereitung weitergeleitet.

Bereich 5: Bleibt drucklos.

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