Einf\"urung

POLYTECHNISCHE UNIVERSITÄT TOMSK
N.S. Schwab
CHEMISCHE
VERFAHRUNGSTECHNIK
Ist von dem Redaktions- und Publishing-Beratung
der Polytechnischen Universität Tomsk
als Unterrichtshilfe Lehrbehelf empfohlen
Verlag
der Polytechnischen Universität Tomsk
2009
UDK 66.02(075.8)
BBK 35.11973
S 33
Schwab N.S.
S 33
Chemische Verfahrungstechnik: Unterrichtshilfe Lehrbehelf /
N.S. Schwab – Tomsk: TPU Verlag , 2009. – 120 S.
In diesem Unterrichtshilfe Lehrbehelf werden folgende Stoffgebiete
behandelt: Allgemeine Grundlagen mit Bilanzierung, Ähnlichkeitslehre, Stoffund Wärmetransport. Die Auswahl des Lehrstoffes erfolgte unter dem
Gesichtspunkt der Beschränkung auf das Grundsätzliche für die künftige praktische Tätigkeit der Chemie- und Verfahrensingenieure sowie Chemotechniker.
Das Lehrmitteln vermittelt den Studenten grundlegende Kenntnisse über
Wirkprinzipien und Betriebsweise von Apparaten und Ausrüstungen für
Prozesse der Stoffwirtschaft.
Unterrichtshilfe Lehrbehelf ist auf Deutsch geschrieben und lässt sich für
die Studenten, die Fachdeutsch lernen, empfehlen.
UDK 66.02(075.8)
BBK 35.11973
Rezensenten
Doktor habil. für Physik und Mathematik, Professor
der Staatlichen Universität Tomsk
A. Ju. Kreinow
Dozent der Staatlichen Technologischen Akademie Sewersk
W.N. Brendakow
© Schwab N.S., 2009
© Polytechnische Universität Tomsk, 2009
© Bearbeitung. Verlag der Polytechnischen
Universität Tomsk, 2009
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Inhalt
Einführung ……………………………………………………………………………….7
1. Allgemeine Grundlagen ……………………………………………………………….9
1.1. Einteilung der Grundoperationen …………………………………………………9
1.2. Stoff-, Wärme- und Impulsübertragung …………………………………………..9
1.3. Diskontinnuierliche und kontinuierliche Betriebsweise …………………………11
1.4.Stoff- und Energiebilanzen ……………………………………………………….11
2. Trennen disperser Systeme ………………………………………………………….11
2.1. Sedimentieren…………………………………………………………………….14
2.2. Zentrifugieren in Absetzzentrifugen …………………………………………......19
2.3. Filtrieren …………………………………………………………………………21
2.4. Membrantrennprozesse …………………………………………………………..24
3. Wärmeübertragung ......................................................................................................26
3.1.Wärmeleitung …………………………………………………………………….27
3.2. Konvektiver Wärmetransport (Wärmekonvektion) ……………………………...32
3.2.1.Wärmeübertragung ohne Zustandänderung ......………………………………..32
3.2.2. Wärmeübertragung bei Zustandänderung……………………………………...40
3.3. Wärmedurchgang ………………………………………………………………...42
3.4. Wärmestrahlung ………………………………………………………………….45
3.5. Wärmeübertrager ………………………………………………………………...48
3.5.1. Darstellung einiger wichtiger Bauformen ……………………………………..48
3.5.2. Berechnung der Wärmeübertrager …………………………………………….52
4. Stoffübertragung ……………………………………………………………………..56
4.1. Arten der Stoffübertragung ………………………………………………………56
4.2. Grundgesetze des molekularen und turbulenten Stofftransports ………………...56
4.3. Konvektiver Stofftransport ………………………………………………………58
5. Destillation ……………………………………………………………………………67
5.1. Prinzip der Destillation ………………………………………………………….67
5.2. Destillationsmetoden …………………………………………………………….67
5.3. Phasengleichgewicht von Flüssigkeitsgemisch ………………………………….70
5.4. Gleichstromdestillation …………………………………………………………..78
5.5. Gegenstromdestillation ………………………………………………………….80
5.6. Destillationskolonnen ……………………………………………………………90
6. Absorption ……………………………………………………………………………95
6.1. Arbeitslinie bei der Absorption ………………………………………………….95
6.2. Minimales Trägerstoffverhälltnis und Absorbensüberschusskoeffizient ………..97
6.3. Phasengleichgewichte und Gleichgewichtslinie bei Absorptionsprozessen …….98
6.4 Bestimmung der theoretischen Trennstufenzahl für eine Absorptionskolonne…..99
7. Trocknung …………………………………………………………………………...102
7.1. Feuchtebindung in Trockengütern ……………………………………………...102
7.2. Stoffbilanz der Trocknung ……………………………………………………...103
7.3. Eigenschaften feuchter Luft ……………………………………………………104
7.4. Trocknungsvorgang im h,x-Diagramm …...........................................................107
7.5. Varianten des Trocknungsprozess ……………………………………………...112
7.6. Geschwindigkeit des Trocknungsprozesses ……................................................114
7.7. Einteilung der Trockner ………………………………………………………...117
Literaturverzeichnis …………………………………………………………………...119
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Verwendete Formelzeichen
A – Fläche, m2
l, d, δ – Länge, m
c – spezifische Wärmekapazität, J kg-1K-1; Moldichte, kmol m-3
F – Kraft, N
g – Erdbeschleunigung, m s-2
a – Beschleunigung, m s-2; Temperaturleitfähigkeitskoeffizient, m2 s-1
H – Enthalpie, J
m – Masse, kg
p – Druck, Pa
Q – Wärmemenge, W
T – Temperatur, K
r – spezifische Kondensationswärme, J kg-1
V – Volumen, m-3
w – Geschwindigkeit, m s-1
x, y – Molanteil, kmol kmol-1
α – Wärmeübergangskoeffizient, W m-2 K
β – Stoffübergangskoeffizient, m s-1
λ – Wärmeleitfähigkeitskoeffizient, W m-1 K-1
η – dynamische Viskosität, Pa s
ν – kinematische Viskosität, m2 s-1
π – Dampfdruck, Pa
ρ – Dichte, kg m-3
τ – Zeit, s
D – Diffusionskoeffizient, m-2 s-1
n – Trennstufenzahl; Drehzahl, s-1
R – spezielle Gaskonstante, J kg-1 K-1; Rücklaufverhältnis
K – Stoffdurchgangskoeffizient, kmol m-2 s-1
k – Wärmedurchgangskoeffizient, W m-2 K
C – Strahlungskoeffizient, W m-2 K-4
E – Emission, W m-2
ε – Porosität, m3 m-3; Emissionsverhältnis
ξ – Widerstandskoeffizient
φ – Formfaktor; relative Feuchte
H – Henry-Koeffizient, Pa
my – Anzahl der Übertragungseinheit
Indizes:
äq – äquivalent
eff – effektiv
ges – gesamt
th – theoretisch
F – Flüssigkeit
G – Gas
Ü – Übertragungskomponente
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Einführung
Die Entwiklung der chemischen und artverwandten Produktion lässt sich
vom Altertum bis in unsere Zeit verfolgen. Im Verlauf dieser Entwiklung
wuchs das Wissen um die Beschaffenheit von Rohstoffen und Produkten und
die Kenntnis über Methoden und Verfahren zu ihrer Aufbereitung, Umwandlung und Herstellung. Die Anfänge der Chemieingenieurwissenschaft findet
man als Warenkunde und lehrhafte Beschreibungen von Stoffen, Rezepten
und Arbeitsgängen. Aus der Verallgemeinerung von Erfahrungen aus der
chemischen Produktion und den Ergebnissen gezielter Experimente zur Aufdeckung der wirkenden Gesetzmäβigkeiten und ihrer inneren und äuseren
Zusammenhänge entstanden die Aufgabenstellungen der Chemieingenieurwissenschaft:
−Sammeln. Beschreibung und Systematisieren von Erfahrungen aus der
chemischen Produktion und dem Experiment;
−Analysieren und Verallgemeinern der Erfarungstatsachen und Informationen mit Hilfe der Grundwissenschaften (Mathematik, Physik, Chemie);
−Formulieren der spezifischen und objektiven Gesetzmäβigkeiten der industriellen Stoffwandlung bzw. der Stoffwirtschaft.
Anwenden der Gesetze auf die Gestaltung und den Betrieb chemischen
Anlagen.
Bei Nichtkenntnis oder Nichtbeachtung der vielfältigen funktionellen
Beziehungen und Gesetzmäβigkeiten, die im Produktionsprozë unabhängig
vom Wollen der beteiligten Personen zur Wirkung kommen, ist eine günstige
oder optimale Entwiklung, Verwirklichung und Steuerung von industriellen
Stoffwandlungsprozessen praktisch unmöglich.
In der Ausbildung erfolgt eine Aufgliederung der Chemieingenieurwissenschaft in die Fachdisziplinen: Chemische Technologie, Verfahrenstechnik
und Apparate-und Anlagentechnik, deren gemeinsamer Gegenstand das
chemische Produktionsverfahren ist. Ein chemisches Verfahren ist dabei eine
technologische Kette von Prozesseinheiten, die der Stoff durchläuft, um am
Ende chemisch umgewandelt daraus hervorzugehen. Unter dem Begriff
Prozesseinheit ist in diesem Sinne die durch den Menschen beabsichtigte
oder gesteuerte Wechselwirkung zwischen dem Arbeitsmittel in Form eines
Apparates, einer Maschine oder einer sonstigen Einrichtung und dem Stoff
als Arbeitsgegenstand mit dem Ziel der Stoffveränderung zum Zwecke seiner
Gebrauchswertehöhung zu verstehen. Die Stoffveränderung kann sowohl in
einer Stoffwandlung durch chemische Reaktion als auch in einer Änderung
des Stoffzustandes infolge physikalischer Vorgänge bestehen.
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Zwischen
Verfahren
und
Verfahrenszügen
wird
unterschieden.Übereinstimmend mit der vorstehenden Definition ist danach ein Verfahren die Kopplung von Prozesseinheiten miteinander und mit der Umgebung
zur Durchführung einer im Rahmen eines Verfahrenszuges charakteristischen
Stoffwandlung. Die Kopplung derartiger Verfahren zu einem komplexen
Stoffwandlungssystem, das zur Befriedigung eines gesellschaftlichen
Bedürfnisses betrieben wird, stellt einen Verfahrenszug dar. Im Sinne der
getroffenen Dreiteilung der Chemieingenieurwissenschaft in chemische
Technologie, Verfahrenstechnik sowie Apparate- und Anlagentechnik erfolgt
folgende Zuordnung:
Die chemische Technologie wird als die Theorie der Gesamtheit der Verfahren und Verfahrenszüge betrachtet. Ihr Arbeitsgegenstand ist die Untersuchung und Festlegung des technologischen Weges vom Rohstoff zum
Produkt auf die Basis des bekannten Chemismus der beabsichtigten Stoffumwandlung unter Einbeziehung aller Hilfsprozesse und Hilfssysteme (Energie- und Informations- bzw. Automatisierungssysteme). Das Arbeitsergebnis stellt die technologische Schaltung des Verfahrens oder Verfahrenszuges in Form von Fliessbildern oder Modellen dar. Die spezielle
chemische Technologie untersucht konkrete, auf den unmittelbaren Stoff bezogene Verfahren und Verfahrenszüge. Die allgemeine chemische Technologie dagegen erforscht das Systemverhalten technologischer Schaltungen unabhängig von speziellen stofflichen Bindungen mit Methoden der Kybernetik, der Systemtechnik und der Informationstheorie. Der Übergang von linearen zu zyklischen Produktionsprozessen mit intelligenten Stoff- und produktkreisläufen ist dabei ein wesentliches Kriterium für zukunftsfähige Verfahren.
Die Verfahrenstechnik behandelt die allgemeine Theorie der Stoffwandlungsprozesse und die Ausrüstungen zu ihrer Durchfürung. Sie untersucht die
Wechselwirkungen zwischen dem Stoff und der Ausrüstung in Form der
−Grundoperationen (Makroprozesse), bei denen der Stoff physikalische
Veränderungen seines Zustandes erfährt;
−elementaren Prozesse (Mikroprozesse) der Stoff-, Wärme- und Impulsübertragung, die bei den Grundoperationen wirksam sind;
−Reaktionsprozesse, für deren technische Durchfürung die thermodynamisch und hydrodynamisch günstigsten Bedingungen zu schaffen sind.
Auf der Grundlage der phänomenologischen und mathematischphysikalischen Durchdringung dieser Vorgänge erfolgt, dem Stand der
Erkenntnisse entsprechend:
−die Bestimmung von Stoffeigenschaften;
−die prinzipielle Gestaltung und Bemessung der Apparate, Maschinen und
Einrichtungen mit dem Ziel einer optimalen Auslegung;
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−die Festlegung von Betriebsparametern;
−die Ermittlung des Energiebedarfs;
−die Ermittlung des Detriebsverhaltens und die daraus resultierende
zweckmässige Fahrweise.
Das Arbeitsgebiet der Apparate- und Anlagentechnik reicht von der Dimensionierung und Konstruktion von Ausrüstungen für die chemische und
artverwandte Produktion bis zur Erarbeitung ausführungsreifer Projektunterlagen, der Montage und Inbetriebnahme von Anlagen sowie Fragen der
Sicherheitstechnik.
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