Verfahrenstechnik für IngenieureLehr- und Übungsbuch

Mit CDKarl SchwisterVolker Leven

Schwister/LevenVerfahrenstechnik

für Ingenieure

Karl Schwister Volker Leven

Verfahrenstechnik für IngenieureLehr- und Übungsbuch

Mit 317 Bildern und 51 Tabellen

Fachbuchverlag Leipzigim Carl Hanser Verlag

Autoren:Prof. Dr. rer. nat. Karl SchwisterDipl.-Ing. Volker Leven

Fachhochschule DüsseldorfFachbereich Maschinenbau und VerfahrenstechnikLehr- und Forschungsgebiet Chemie und Bioverfahrenstechnik

Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

ISBN 978-3-446-43070-9E-Book-ISBN 978-3-446-43136-2

Einbandbild und Bild Seite 2: LyondellBasell Industries, Basell Polyolefine GmbH Wesseling

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Marken-schutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt.Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden.

Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag© 2013 Carl Hanser Verlag München www.hanser-fachbuch.deLektorat: Jochen HornHerstellung: Katrin WulstEinbandrealisierung: Stephan RönigkSatz, Druck und Bindung: Kösel, KrugzellPrinted in Germany

Vorwort

Das Lehr- und Übungsbuch Verfahrenstechnik für In-genieure bietet eine kompakte, verständliche und an den Bedürfnissen der Praxis ausgerichtete Gesamt-darstellung über den vielfältigen und weit verzweig-ten Bereich der Verfahrens technik. Es gibt eine ers-te Einführung in die notwendigen Grundlagen wie Thermodynamik, Kinetik, Katalyse, Strömungstech-nik sowie Statistik und behandelt natürlich die Grundverfahren der Mechanischen und Thermi-schen Verfahrenstechnik sowie die Chemische Re-ak tionstechnik. Neben den zahlreichen Übungsauf-gaben und Exkursen wird auch dem Fachfremden ein Einstieg in diese wichtige Ingenieurdisziplin er-möglicht.

Die Abgrenzung der vier Teilbereiche erfolgt nach traditionellem Verständnis. Danach basieren die Grundoperationen der Mechanischen Verfahrens-technik im Wesentlichen auf den Grundgesetzen der Mechanik. Hinzu kommen die in der Thermischen Verfahrenstechnik zusammengefassten Gesetzmäßig-keiten des Stoff- und Wärmetransports. Das kom-plexe Gebiet der Chemischen Reaktionstechnik be-schäftigt sich mit chemischen Umsetzungen, für deren quantitative Beschreibung sowohl die Ther-modynamik als auch die Kinetik benötigt wird. Bei der Anwendung der dargelegten Theorien und Be-rechnungsmethoden stoßen Studenten und Absol-venten häufig auf Probleme, die den Einstieg in Lehrveranstaltungen, Seminare oder Praktika er-schweren.

Die Zielsetzung des vorliegenden Lehr- und Übungsbuches besteht darin, den Studenten der Fach- und Vertiefungsrichtungen Verfahrenstechnik, Biotechnologie, Lebensmitteltechnologie, Pharma- und Kosmetikindustrie, Kunststoffindustrie, Metall-verarbeitung, Bergbau und Hüttenwesen sowie einer Reihe von Industrie- und Umweltbereichen das nö-tige Grundwissen einerseits, aber auch eine Auf-gaben samm lung von Berechnungsbeispielen und Stoffdaten andererseits, zur schnellen und erfolgrei-chen Einarbeitung an die Hand zu geben.

Besonders möchten wir uns bei Frau Antje Kim Fraederich bedanken, die neben ihrem Studium die beiliegende CD konzipiert und erstellt hat. Für das Korrekturlesen bedanken wir uns bei Frau Janine Mater und Herrn Klaus Vogelsang. Unseren Frauen Karin und Regine möchten wir auf diesem Wege unseren herzlichen Dank für ihr Verständnis und ihre Geduld während der Erarbeitung des Manu-skriptes ausdrücken.

Für die in diesem Buch enthaltenen Fehler und Mängel sind wir alleine verantwortlich.

Düsseldorf, im Oktober 2012 Volker Leven und Karl Schwister

Inhalt

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

VTG – Verfahrenstechnische Grundlagen . . 13

1 Physikalische Größen und Einheitensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.1 Größen und Größenarten . . . . . . . . . . . . . 141.2 Größen- und Zahlen wertgleichungen . . . 161.3 Zustandsgrößen und Prozessgrößen . . . . 171.4 Zustandsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . 181.5 Gehalts- und Konzentra tionsangaben . . . 19

1.5.1 Massenanteil . . . . . . . . . . . . . . 201.5.2 Stoffmengenanteil . . . . . . . . . . 201.5.3 Volumenanteil . . . . . . . . . . . . . 211.5.4 Massenkonzentration . . . . . . . 211.5.5 Stoffmengenkonzentration . . . 211.5.6 Volumenkonzentration . . . . . . 211.5.7 Molalität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.5.8 Aktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.6 Umrechnungen und Mischungs- rechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2 Statistische Grundlagen . . . . . . . . . . . 252.1 Fehlerarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1.1 Grobe Abweichung von Messwerten . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1.2 Systematische Abweichung von Messwerten . . . . . . . . . . . 25

2.1.3 Zufällige Abweichung von Messwerten . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2 Darstellung von Messreihen . . . . . . . . . . 262.3 Erfassung der Messwert abweichung . . . . 29

2.3.1 Normalverteilung nach Gauss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3.2 Standardabweichung . . . . . . . 302.3.3 Vertrauensbereich . . . . . . . . . . 31

2.4 Fehlerfortpflanzung . . . . . . . . . . . . . . . . 322.4.1 Methode der oberen und

unteren Grenze . . . . . . . . . . . . 322.4.2 Gausssche Fehler-

fortpflanzung . . . . . . . . . . . . . . 332.4.3 Lineare Fehlerfortpflanzung . 33

2.5 Grafische Auswertung von Messdaten . . 342.5.1 Lineare und nichtlineare

Skalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.5.2 Anfertigung einer grafischen

Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . 352.5.3 Grafische Auswertung linearer

Zusammenhänge . . . . . . . . . . . 36

3 Aggregatzustände und Phasenlehre . 383.1 Gasförmiger Zustand . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.1.1 Ideales Gas . . . . . . . . . . . . . . . . 383.1.2 Gasgemische . . . . . . . . . . . . . . 403.1.3 Reale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.2 Flüssiger Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.2.1 Dichte und Volumen-

ausdehnung . . . . . . . . . . . . . . . 453.2.2 Viskosität von Flüssigkeiten . 473.2.3 Oberflächenspannung . . . . . . 48

3.3 Fester Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.3.1 Kristallgitter und Kristall-

systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.3.2 Methoden zur Ermittlung

der Festkörperstruktur . . . . . . 513.4 Phasenumwandlung von Reinstoffen . . . 52

3.4.1 Druck-Temperatur-Phasen-diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.4.2 Clausius-Clapeyron- Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.4.3 Regel von Trouton . . . . . . . . . 553.5 Binäre Phasen gleich gewichte . . . . . . . . . 553.6 Ternäre Phasen gleich gewichte . . . . . . . . 59

8 Inhalt

3.7 Verdünnte Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . 603.7.1 Kolligative Eigenschaften . . . . 603.7.2 Löslichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4 Strömungstechnische Grundbegriffe 654.1 Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . . . . 654.2 Kontinuitätsgleichung . . . . . . . . . . . . . . 664.3 Strömung ohne Reibung . . . . . . . . . . . . . 67

4.3.1 Gleichung von Bernoulli . . . . 674.3.2 Gleichung von Torricelli . . . 69

4.4 Strömung mit Reibung . . . . . . . . . . . . . . 704.4.1 Viskosität . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.4.2 Widerstandsbeiwert . . . . . . . . 71

4.5 Rohrströmung mit Reibung . . . . . . . . . . 724.5.1 Laminare Strömung . . . . . . . . 724.5.2 Turbulente Strömung . . . . . . . 734.5.3 Druckverlust in Rohrleitungen 734.5.4 Druckverlust in Formstücken

und Armaturen . . . . . . . . . . . . 75

5 Produktionstechnische Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.1 Verfahrensentwicklung . . . . . . . . . . . . . . 765.2 Verfahrensinformationen . . . . . . . . . . . . . 775.3 Fließschemata von Anlagen . . . . . . . . . . 78

5.3.1 Grundfließschema . . . . . . . . . . 795.3.2 Verfahrensfließschema . . . . . . 795.3.3 Rohrleitungs- und

Instrumenten fließschema . . . 805.3.4 Mess- und Regelschema . . . . . 82

5.4 Stoffdaten und Verfahrensablauf . . . . . . 825.4.1 Stoffdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.4.2 Sicherheitstechnische Daten . 835.4.3 Toxikologische Daten . . . . . . . 84

5.5 Scale-up – Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . 84

CRT – Chemische Reaktionstechnik . . . . . . . 87

6 Grundlagen der Reaktionstechnik . . . 886.1 Einführung und Grundbegriffe . . . . . . . . 88

6.1.1 Klassifizierung chemischer Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.1.2 Beurteilungsgrößen und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . 89

6.2 Chemische Thermo dynamik . . . . . . . . . . 926.2.1 Systeme und Zustandsgrößen 92

6.2.2 Erster Hauptsatz . . . . . . . . . . . 926.2.3 Standardenthalpien . . . . . . . . 936.2.4 Zweiter Hauptsatz . . . . . . . . . . 946.2.5 Chemisches Gleichgewicht . . 96

6.3 Stoff- und Wärme bilanzen . . . . . . . . . . . 986.3.1 Transportprozesse . . . . . . . . . 996.3.2 Erhaltungssätze . . . . . . . . . . . . 100

7 Kinetik chemischer Reaktionen . . . . . 1027.1 Reaktions geschwindigkeit . . . . . . . . . . . 1027.2 Gesetze der Reaktions kinetik . . . . . . . . . 103

7.2.1 Differenzialgleichungen . . . . . 1047.2.2 Reaktionen nullter Ordnung . 1057.2.3 Reaktionen erster Ordnung . . 1057.2.4 Reaktionen zweiter Ordnung 1077.2.5 Reaktionen dritter Ordnung . . 1087.2.6 Molekularität einer Reaktion 109

7.3 Bestimmung von Reaktionsordnungen . . 1097.3.1 Differenzialmethode . . . . . . . . 1107.3.2 Methode der Anfangs-

geschwindigkeiten . . . . . . . . . 1107.3.3 Integrationsmethode . . . . . . . . 1117.3.4 Halbwertszeitmethode . . . . . . 1117.3.5 Konzentrationsabhängige

Messgrößen . . . . . . . . . . . . . . . 1117.3.6 Experimentelle Bestimmungs-

methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . 1127.4 Kinetik komplexer Reaktionen . . . . . . . . 113

7.4.1 Gleichgewichtsreaktionen . . . 1147.4.2 Parallelreaktionen . . . . . . . . . . 1157.4.3 Folgereaktionen . . . . . . . . . . . . 116

7.5 Theorie der Reaktions geschwindigkeit . . 1177.5.1 Temperaturabhängigkeit der

Reaktionsgeschwindigkeit . . . 1187.5.2 Theorie des aktivierten

Komplexes . . . . . . . . . . . . . . . . 120

8 Aktivierung von Reaktionen und Katalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

8.1 Aktivierung von Reaktionsprozessen . . . 1238.1.1 Thermische Aktivierung . . . . 1238.1.2 Katalytische Aktivierung . . . . 1248.1.3 Aktivierung durch Initiator-

zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1268.1.4 Biokatalytische Aktivierung . 1268.1.5 Fotochemische Aktivierung . . 128

8.2 Homogene und heterogene Systeme . . . . 128

9Inhalt

8.3 Heterogene Katalyse . . . . . . . . . . . . . . . . 1288.3.1 Heterogene Reaktionen mit

Feststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . 1288.3.2 Heterogene Reaktionen mit

Fluiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1348.3.3 Reaktionsablauf . . . . . . . . . . . . 135

8.4 Homogene Katalyse . . . . . . . . . . . . . . . . 1368.4.1 Einphasige Reaktionssysteme 1378.4.2 Säure- und Basenkatalyse . . . 1388.4.3 Enzymkatalytische Reaktionen 1408.4.4 Reversible Hemmung von

Enzymen . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

9 Ideale Reaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 1469.1 Klassifizierung von Reaktoren . . . . . . . . 146

9.1.1 Allgemeine Betriebsformen . . 1469.1.2 Vermischung im Reaktor . . . . 1479.1.3 Wärmetechnische Betriebs-

formen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1489.1.4 Grundtypen chemischer

Reaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 1509.1.5 Stoff- und Wärmebilanzen . . . 151

9.2 Diskontinuierlich betriebener Rührkessel 1529.2.1 Isotherm betriebener

Rührkessel . . . . . . . . . . . . . . . . 1539.2.2 Adiabat betriebener

Rührkessel . . . . . . . . . . . . . . . . 1549.2.3 Polytrop betriebener

Rührkessel . . . . . . . . . . . . . . . . 1559.3 Kontinuierliche Betriebs führung ohne

Rückvermischung der Reaktionsmasse . 1569.4 Kontinuierliche Betriebsführung mit

Rückvermischung der Reaktionsmasse . 1599.5 Rührkesselkaskade . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

9.5.1 Gestaltung und stoffliche Bilanzierung . . . . . . . . . . . . . . 162

9.5.2 Berechnung von Rührkessel-kaskaden . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

9.6 Vergleichende Betrachtung der Reaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

10 Reale Reaktoren und Verweilzeit­verteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

10.1 Abweichungen vom idealen Verhalten . . 16810.2 Verweilzeit unter suchungen zur

Charakterisierung des Vermischungs-verhaltens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

10.2.1 Verweilzeitspektrum und Verweilzeit-Summenfunktion 170

10.2.2 Messung der Verweilzeit-verteilungen . . . . . . . . . . . . . . . 171

10.3 Berechnung und Aus wertung von Verweil zeit verteilungen . . . . . . . . . . . . . . 17210.3.1 Idealer kontinuierlicher

Rührreaktor . . . . . . . . . . . . . . . 17210.3.2 Kaskade von kontinuierlich

betriebenen idealen Rührreaktoren . . . . . . . . . . . . . 173

10.3.3 Laminar durchströmter Rohrreaktor . . . . . . . . . . . . . . . 174

10.4 Reaktoren mit realem Verhalten . . . . . . . 17510.4.1 Dispersionsmodell . . . . . . . . . 17510.4.2 Kaskadenmodell . . . . . . . . . . . 17810.4.3 Berechnungsbeispiele . . . . . . . 179

MVT – Mechanische Verfahrenstechnik – Grundoperationen . . . . . . . . . . . . . . . . 183

11 Charakterisierung von Partikeln und dispersen Systemen . . . . . . . . . . . . . . 184

11.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18411.2 Partikelgrößen und Merkmale . . . . . . . . 18511.3 Kenngrößen einer Verteilung . . . . . . . . . 187

11.3.1 Verteilungssumme . . . . . . . . . 18711.3.2 Verteilungsdichte . . . . . . . . . . 188

11.4 Verteilungsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19011.4.1 Potenzverteilung nach Gates-

Gaudin-Schumann . . . . . . . . . 19011.4.2 Gausssche Normalverteilungs-

funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19111.4.3 Logarithmische Normal-

verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . 19111.4.4 RRSB-Verteilung . . . . . . . . . . . 19211.4.5 Vergleich der Verteilungen

und Kennwerte . . . . . . . . . . . . 19311.5 Messen einer Partikel größenverteilung . . 194

12 Zerteilung von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen . . . . . . . . . . . 197

12.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19712.2 Zerkleinerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

12.2.1 Näherungsformeln . . . . . . . . . 19912.2.2 Zerkleinerungsgrad . . . . . . . . 200

10 Inhalt

12.2.3 Bruchvorgang . . . . . . . . . . . . . 20012.2.4 Zerkleinerungsmaschinen . . . 201

12.3 Flüssigkeitszerteilung . . . . . . . . . . . . . . . 20312.3.1 Berieselung . . . . . . . . . . . . . . . 20312.3.2 Zerstäubung . . . . . . . . . . . . . . . 20312.3.3 Zerspritzung . . . . . . . . . . . . . . 207

12.4 Begasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

13 Trennen disperser Systeme . . . . . . . . 21013.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21013.2 Absetzprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

13.2.1 Sedimenter . . . . . . . . . . . . . . . . 21413.2.2 Trennschärfe und

Abscheidegrad . . . . . . . . . . . . . 21613.2.3 Zentrifuge . . . . . . . . . . . . . . . . 21813.2.4 Zyklone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22313.2.5 Koagulation und Flokkulation 22513.2.6 Flotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

13.3 Filtrationsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . 22713.3.1 Kuchenfiltration . . . . . . . . . . . 22713.3.2 Querstromfiltration . . . . . . . . . 23213.3.3 Tiefenfiltration . . . . . . . . . . . . . 234

14 Mischen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23614.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23614.2 Mischen von Feststoffen . . . . . . . . . . . . . 23814.3 Statisches Mischen von Fluiden . . . . . . . 24114.4 Dynamisches Mischen von Flüssigkeiten 242

14.4.1 Laminarer Bereich . . . . . . . . . 24614.4.2 Turbulenter Bereich . . . . . . . . 24614.4.3 Übergangsbereich . . . . . . . . . . 24714.4.4 Rühren von nicht-Newton-

schen Flüssigkeiten . . . . . . . . 24814.4.5 Scale-up – Maßstabs-

übertragung . . . . . . . . . . . . . . . 24814.4.6 Weitere Anwendungsgebiete 249

15 Agglomerieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25215.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25215.2 Einteilung der Agglomeration . . . . . . . . . 253

15.2.1 Aufbauagglomeration (Pelletieren) . . . . . . . . . . . . . . . 253

15.2.2 Pressagglomeration (Formpressen) . . . . . . . . . . . . . 255

16 Transport von Stoffen . . . . . . . . . . . . . 25816.1 Arten der Förderung . . . . . . . . . . . . . . . . 258

16.2 Transport von Flüssigkeiten . . . . . . . . . . 25816.2.1 Verdrängungspumpen . . . . . . 25916.2.2 Zentrifugalpumpen . . . . . . . . . 26016.2.3 Strahlpumpen . . . . . . . . . . . . . 26116.2.4 Berechnungen . . . . . . . . . . . . . 262

16.3 Transport von Gasen . . . . . . . . . . . . . . . 26616.3.1 Lüfter und Gebläse . . . . . . . . . 26616.3.2 Verdichter . . . . . . . . . . . . . . . . 269

16.4 Feststoffförderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27116.4.1 Gurt-, Gliederbandförderer

und Becherwerke . . . . . . . . . . 27116.4.2 Schnecken- und

Spiralförderer . . . . . . . . . . . . . 27216.4.3 Pneumatische Förderung . . . . 273

TVT – Thermische Verfahrenstechnik – Grundoperationen . . . . . . . . . . . . . . . . 277

17 Verdampfen und Kondensieren . . . . . 27817.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

17.1.1 Dampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28017.1.2 Wärmeübertragung . . . . . . . . 28117.1.3 Wärmeaustauscher . . . . . . . . . 283

17.2 Verdampfen und Eindampfen . . . . . . . . . 284

18 Kristallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28818.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28818.2 Berechnungen zur Kristallisation . . . . . . 28918.3 Technische Anwendung . . . . . . . . . . . . . . 291

19 Trocknen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29319.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29319.2 Trocknungsarten und Trocknungskurven 29719.3 Bauarten von Trocknern . . . . . . . . . . . . . . 299

20 Destillation und Rektifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

20.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30020.1.1 Ideales Zweistoffgemisch . . . . 30020.1.2 Reales Zweistoffgemisch . . . . 30620.1.3 Mischungslücken . . . . . . . . . . 308

20.2 Destillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31020.2.1 Absatzweise (einfache)

Destillation . . . . . . . . . . . . . . . . 31020.2.2 Fraktionierte Destillation . . . . 31420.2.3 Kontinuierliche Destillation . . 315

11Inhalt

20.2.4 Trägerdampfdestillation . . . . . 31620.2.5 Vakuumdestillation . . . . . . . . . 317

20.3 Rektifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31720.3.1 Grundlagen der Rektifikation 31820.3.2 Bilanzen an einer Rekti-

fikationskolonne . . . . . . . . . . . 32120.3.3 Wärmebedarf und Heiz-

leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33220.3.4 Füllkörper- und Packungs-

kolonnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33220.3.5 Rektifikationsverfahren . . . . . 334

21 Sorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33921.1 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

21.1.1 Grundlagen der Absorption . . 33921.1.2 Bilanzierung und Berechnung 34421.1.3 NTU/HTU-Konzept für die

Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . 35021.1.4 Kenngrößen eines Absorbers 354

21.1.5 Wärmebilanz bei der Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . 355

21.1.6 Anwendung der Absorption . . 35721.2 Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359

21.2.1 Grundlagen der Adsorption . . 35921.2.2 Adsorptionsmittel . . . . . . . . . . 36121.2.3 Beispiele einiger Adsorptions-

mittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36221.2.4 Mechanismen der Adsorption 36421.2.5 Bilanzierung von Adsorbern . 37121.2.6 Wärmebilanz an einem

Festbettadsorber . . . . . . . . . . . 37421.2.7 Technische Anwendungen

und Bauformen . . . . . . . . . . . . 376

Hinweise zur beigefügten CD . . . . . . . . . . . . . 378

Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

VTG Verfahrenstechnische Grundlagen

1 Physikalische Größen und Einheitensysteme2 Statistische Grundlagen3 Aggregatzustände und Phasen4 Strömungstechnische Grundbegriffe5 Produktionstechnische Grundbegriffe

einer Strömung, einer Wärmeübertragung oder des Stofftransports ist in allen Fällen mit der inneren und äußeren Reibung zu begründen. Bei der Über-tragung der Wärme werden Teilchen mit hoher ther mischer Bewegung Energie an benachbarte Teil-chen abgeben. Strömungsimpulse entstehen, wenn schnelle auf langsame Teilchen treffen. Der Stoff-transport entsteht, wenn Teilchen aufgrund ihrer kinetischen Bewegungsenergie in andere Bereiche vordringen. Alle Vorgänge, die auf eine submikros-kopische Bewegung von Teilchen zurückzuführen sind, lassen sich mit mathematischen Gleichungen beschreiben.

In diesem Teil des Buches werden neben grund-legenden naturwissenschaftlichen Gesetzmäßigkei-ten die verfahrenstechnischen Grundlagen bespro-chen. Es geht um Definitionen von Begriffen, um das Vergrößern von Laborverfahren in den Produktions-maßstab (Scale-up) und um chemische Stoffum-wandlungsprozesse in verschiedenen Reaktionsap-paraten. Daneben werden Transportvorgänge von Fluiden, Wärme und Stoffen in ihren physikalischen Grundprinzipien dargestellt. Bei diesen drei Er-scheinungsformen handelt es sich um Ausgleichs-vorgänge auf submikroskopischer Ebene, bei denen Volumenelemente sich gegeneinander verschieben oder aneinander reiben können. Der Widerstand

1 Physikalische Größen und Einheitensysteme

1 .1 Größen und GrößenartenEin wesentliches Ziel der naturwissenschaftlichen und technischen Forschung ist die Beschreibung der in der Natur ablaufenden Vorgänge bzw. der technischen Prozesse durch mathematische Glei-chungen. Diese werden entweder durch Experimen-te oder durch theoretische Überlegungen erhalten. Diese Gleichungen stellen einen funktionalen Zu-sammenhang zwischen den für den betrachteten Prozess maßgeblichen erfassbaren Eigenschaften oder Erscheinungen des Systems her, die auch allge-mein Einflussgrößen genannt werden. Solche Grö-ßen sind z. B. Länge, Masse, Zeit, Stromstärke, Kon-zentration, Arbeit oder Energie. Jede dieser Größen G lässt sich aufspalten in ein Produkt aus dem Zah-lenwert {G} und der dazugehörigen Einheit [G]:

G = {G} · [G] (1-1)

Die Einheit ist eine willkürlich wählbare, aber ver-einbarte Größe der gleichen Art wie die betrachtete Größe. Die physikalische Größe der Zeit t = 60 s be-steht beispielsweise aus dem Zahlenwert {t} = 60 und der Einheit [t] = s. Statt der Einheit „Sekunde“ kann auch eine andere Zeiteinheit verwendet wer-den, z. B. „Minute“ oder „Stunde“.

Eine Gleichung zwischen verschiedenen Ein-flussgrößen (Größengleichung) beinhaltet immer die Arten (Einheiten) dieser Größe und deren Zah-lenwerte. Größengleichungen sind daher im Unter-schied zu den reinen Zahlenwertgleichungen (z. B.: 4 · 2 = 8) auch Einheitengleichungen. Eine Größen-gleichung ist demzufolge auch nur dann erfüllt, wenn Zahlenwert und Einheit auf beiden Seiten übereinstimmen.

Gleichartige Größen werden unter dem Begriff Größenarten zusammengefasst. So stellen die Grö-ßen Arbeit und Wärme etwas grundsätzlich anderes dar, gehören jedoch beide der gemeinsamen Grö-ßenart Energie an. Der überwiegende Teil der physi-kalischen und chemischen Größenarten ist durch Naturgesetze miteinander verknüpft. Einige müssen jedoch unabhängig voneinander festgelegt werden. Sie werden als Grundgrößenarten oder Basisgrö-ßen bezeichnet. Aus diesen Basisgrößen werden die abgeleiteten Größen definiert.

Bisher existierte eine Vielzahl von Einheitensys-temen, z. B. das physikalische und das technische Einheitensystem u. v. a.; daneben kommen noch die britischen und US-Einheitensysteme. Die Gremien der Meterkonvention haben das sog. Internationa-le  Einheitensystem (Système International d’Uni-tés = SI) empfohlen. Durch das „Gesetz über Einhei-ten im Meßwesen“ vom 2. Juli 1969 wurde das Internationale Einheitensystem für die Bundesrepu-blik Deutsch land gesetzlich vorgeschrieben Die Ba-sisgrößen, Basiseinheiten und Einheitenzeichen sind in Tabelle 1.1 gezeigt.

Tabelle 1 .1 SI-Basisgrößen und Basiseinheiten

Basisgröße BasiseinheitName

Länge

Masse

Zeit

Stromstärke

Temperatur

Stoffmenge

Lichtstärke

Meter

Kilogramm

Sekunde

Ampere

Kelvin

Mol

Candela

Einheiten-zeichen

m

kg

s

A

K

mol

cd