Folien zur Vorlesung

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1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik Folien zur Vorlesung NUR ZUM PERSÖNLICHEN GEBRAUCH! VNT 1 Mechanische Verfahrenstechnik

2 Gliederung der Vorlesung 1. Einführung in die Verfahrenstechnik 2. Gegenstand der Mechanischen Verfahrenstechnik 3. Kennzeichnung disperser Systeme 4. Sedimentation 5. Filtration Folie 2 von 56

3 1. Einführung in die Verfahrenstechnik Folie 3 von 56

4 Lernziele zu Kapitel 1 Wissen: Was ist Gegenstand und Aufgabe der Verfahrenstechnik? Welche Kennzahlen beschreiben die Zusammensetzung von Stoffgemischen? Fähigkeiten: Stoffliche Bilanzierung von technischen Prozessen Umrechnung von Konzentrationsangaben Folie 4 von 56

5 Verfahrenstechnik? Ingenieurwissenschaft, die sich mit von Stoffumwandlungsprozessen befasst, d.h. mit der Änderung des physikalischen Zustandes oder der chemischen Natur zum Beispiel Änderung der Moleküle Chemische Verfahrenstechnik Änderung der molekularen Zusammensetzung Thermische Verfahrenstechnik Änderung im Größenbereich >> Molekülabmessungen Mechanische Verfahrenstechnik Stoffumwandlung mit Hilfe biochemischer Prozesse Bioverfahrenstechnik Folie 5 von 56

6 Tätigkeitsfeld der Verfahrenstechnik Aufgaben Erarbeitung von Verfahrens- und Anlagenschemata, Auswahl geeigneter Apparate Auslegung von Anlagen bzw. einzelner Apparate Optimierung von Anlagen Anpassung von Anlage (neue Endprodukte/Gesetzesänderung) Werkzeuge VT-Grundkenntnisse (Kennzeichnung von Stoffsystemen, Funktion der einzelnen Apparate, Stoff- und Energieaustausch) Bilanzen Folie 6 von 56

7 Bilanzierung von Stoffströmen M ein Bilanzraum: gedanklich geschlossene Hülle M Senke M Quelle M aus M BR dm dt BR M ein M aus M Quelle M Senke Welche Mengenarten M lassen sich bilanzieren? Folie 7 von 56

8 2. Mechanische Verfahrenstechnik Folie 8 von 56

9 Lernziele zu Kapitel 2 Wissen: Welche Art von Stoffsystemen sind Gegenstand der Mechanischen Verfahrenstechnik? In welche Kategorien werden sie eingeteilt? Wie heißen die 4 Arten der mechanischen Grundoperationen? Fähigkeiten: Auswahl geeigneter Lehrbücher zur Mechanischen Verfahrenstechnik Folie 9 von 56

10 Einteilung disperser Stoffsysteme kont. Phase gasförmig fest disperse Phase flüssig Bezeichnung Aerosol; Schüttgüter Aerosol Beispiele flüssig fest Suspension; Paste flüssig Emulsion gasförmig Blasensysteme; Schäume fest fest Legierungen; Gesteine flüssig organisches Gewebe gasförmig poröse Festkörper; feste Schäume Folie 10 von 56

11 Mechanische Grundoperationen Zerkleinern Agglomerieren Trennen Mischen weitere Aufgaben der MVT: Lagern, Fördern, Dosieren von Schüttgütern Partikelmesstechnik Folie 11 von 56

12 Typische MVT-Prozesse Zerkleinern: Feststoffmahlung, Emulgieren, Versprühen, Dispergieren, Agglomerieren: Granulieren, Tablettieren, Flocken, Sintern, Trennen: Eindicken, Feststoff-/Ölabscheidung, Entgasen, Entstauben; Sortieren, Klassieren Mischen: Feststoffmischen, Suspendieren, Begasen, Kneten; Coaten, Partikelsynthese: Begasen, Emulgieren, Versprühen, Mahlen; Fällung, Kristallisation Folie 12 von 56

13 3. Kennzeichnung disperser Systeme Folie 13 von 56

14 Lernziele zu Kapitel 3 Wissen: Welche Parameter kennzeichnen die Zusammensetzung einer trockenen Schüttung? Wie lässt sich die Größe eines nicht-kugelförmigen Partikels quantifizieren? Auf welche Weisen wird die Häufigkeit unterschiedlich großer Partikel, d.h. die Partikelgrößenverteilung (PGV), erfasst? Fähigkeiten: Berechnung geometrischer Äquivalentdurchmesser Grafische Darstellung von PGVen und Bestimmung charakteristischer Kennzahlen (wie Modal- und Medianwert) Folie 14 von 56

15 Schüttungsparameter trockene Schüttungen Porosität Packungsdichte Schüttdichte feuchte Schüttungen Sättigungsgrad Schüttdichte Porenvolumen V por Gesamtvolumen Vges Feststoffvolumen V s V,s 1 Gesamtvolumen V S ges s g s 1 Sch 1 Flüssigkeitsvolumen Porenvolumen V V l ges 1 s S l S g Sch 1 Folie 15 von 56

16 Maximale Packungsdichte Kugeln mit einheitlicher Größe unterschiedlich große und/oder nicht-kugelige Partikel z.b. hexagonal dicht-gepackt Porosität = 34% 26 % Packungsdichte = 66% 74% z.b. theoretisch dichteste Kugelschüttung 0 verdichtete grobdisperse Pulver: V,s = 100% unverdichtete kohäsive Pulver: = 100% Folie 16 von 56

17 Hydraulischer Durchmesser reale Schüttung Modellschüttung Draufsicht hydraul. Durchmesser = Durchmesser eines zylindrischen Rohres dessen Verhältnis von umströmter Oberfläche zu durchströmten Volumen dem der realen Schüttung gleicht Folie 17 von 56

18 Äquivalentdurchmesser reale Partikel Modellpartikel (Kugel) Äquivalentdurchmesser = Durchmesser einer Kugel die in einem bestimmten geometrischem oder physikalischem Merkmal (z.b. Volumen, Sinkgeschwindigkeit) dem zu beschreibenden Partikel gleicht Folie 18 von 56

19 Äquivalentdurchmesser Beispiel Zylinder L D x räumliche Äquivalenz! π 2 Volumen: VZyl 3 D L π V Kugel x 4 6 Oberfläche: S π D 2! 2 π DL Zyl SKugel π x 2 Äquivalenz am Projektionsbild (stabilste Lage)! 2 Projektionsfl.: APst,Zyl DL π A x Pst,Kugel 4! Umfang: U 2D L U π x Zyl Kugel x 3 V x S x Pst x U 3 2 D 2 L Folie 19 von 56

20 Charakteristische Längen des Projektionsbildes Feret-Durchmesser: Achsen der Legendre-Ellipse: x Feret,max x Feret,min a b Abstand paralleler Tangenten Ellipse mit identischer Projektionsfläche und Trägheitsmoment Folie 20 von 56

21 Partikelform Einfluss der Betrachtungsebene makroskopisch: Verhältnis der Partikelproportionen (Kompaktheit) mesoskopisch: Strukturen nicht sehr viel kleiner als Partikelabmessungen (Rundheit von Ecken, Konkavitäten) mikroskopisch: Strukturen, die viel kleiner als Partikelabmessungen (Rauigkeiten) Folie 21 von 56

22 Partikelgrößenverteilung Darstellungsarten Massenanteil 50% 40% 30% 20% 10% 0% Säulendiagramm µm µm µm µm µm µm µm Dichtefunktion q3, 1/mm Histogramm Partikelgröße, µm Dichtefunktion q3, 1/mm Dichtefunktion Partikelgröße, µm Summenfunktion Q Summenfunktion Partikelgröße, µm Folie 22 von 56

23 Partikelgrößenverteilung Definition Dichtefunkt n q r relative Häufigkeit der Partikel mit x 1 x Z x 2 Summenfunkt n Q r 100 % x 1 x 2 Merkmal Z bzw. x Z x 1 x 2 Z bzw. x Z Definition: Q r x Partikel x alle Partikel x x max min q r x dx relative Häufigkeit bezieht sich auf eine kumulierbare Eigenschaft des Partikelsystems (Anzahl, Volumen, Masse, Lichtextinktion, ) Folie 23 von 56

24 Charakteristische Verteilungsparameter Dichtefunkt n q r Schwerpunkt der Fläche Summenfunkt n Q r 84 % 50 % 16 % 100 % x min x mod,r x r x max x Z x 84,r x min x 16,r x 50,r x max x Z aus Dichtefunktion: Modalwert(e) x mod,r Mittelwerte arithm.: x1,r xr xqr xdx 1 harmon.: x x q x 1, dx r r aus Summenfunktion: Medianwert x 50,r Quantil-Paare Verteilungsbreite z.b. x 16,r & x 84,r z.b. x 10,r & x 90,r Folie 24 von 56

25 SAUTER-Durchmeser Partikelsystem volumengleiche Kugeln Kugel mit x ST x ST Ψ 6 S V Volumen V disp Oberfläche S disp V vol.-spez. OF S V S disp disp Volumen V disp Oberfläche S disp vol.-spez. OF S V Volumen Oberfläche vol.-spez. OF π 6 x ΨS 3 ST 2 π x ST V 6 x ST Sauter-Durchmesser = spezieller Mittelwert der Partikelgrößenverteilung Folie 25 von 56

26 Statistische Verteilungsfunktionen Normierte Normalverteilung: 1 2 x e r 2 Transformation Normalverteilung : x x50, r z s x 2 Q r q r x x x z 1 d 2 x e s r 2 z 2 Dichtefunktion q, µm NVT LNVT Logarithmische Normalverteilung : 2 z 1 x 1 2 z ln qr x e ln x50, r ln x 2 x 50 = 10 µm, s = 4 µm Partikelgröße x, µm Folie 26 von 56

27 Methoden für die Partikelgrößenanalyse Optischer Partikelzähler Siebanalyse Sedimentationsanalyse Laserbeugungsspektroskopie x 2 < x 1 Laser diffraction at the particles Diffraction pattern Folie 27 von 56

28 4. Sedimentation Folie 28 von 56

29 Lernziele zu Kapitel 4 Wissen: Was verstehen wir unter Sedimentation? Unterschied zwischen Schwarm- und Zonensedimentation? Welche Sedimentationsapparate für technische Trennprozesse? Wie lässt sich die Effektivität von Sedimentationsprozessen beeinflussen? Fähigkeiten: Berechnung der Sinkgeschwindigkeit von Einzelpartikeln und Partikelschwärmen Ermittlung der Partikelgröße bei bekannter Sinkgeschwindigkeit Auslegung eines Sedimentationsapparates bzgl. der Klärfläche Folie 29 von 56

30 Widerstandsbeiwert einer Kugel Stokes: 24 c W Re lg c W STOKES F W c W A Q Übergangsbereich v 2 2 rel NEWTON Newton: c W 0,44 konst. v Stokes g d 18 F 2 v Newton g 0,33 F d 0, Re Folie 30 von 56

31 Widerstandsbeiwert einer Kugel Potenzansatz: c W B Re A Strömg.- regime Stokes Übergangsregime Newton schleichende Strömung ablösefrei beginnende Ablösung Wirbelschleppe turbulente Nachlaufströmung Re Re Re Re Re Re 10 5 Ar Ar 9 9 Ar Ar Ar Ar Lj Lj Lj Lj Lj Lj A B H. Schubert (u.a.), Mechanische Verfahrenstechnik, 3. Auflage. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, Folie 31 von 56

32 Schwarm- und Zonensedimentation Schwarmsedimentation niedrig Schwarmsedimentation einzelner Partikeln Flocken Zonensedimentation Feststoffkonzentration hoch Zonensedimentation Übergangstyp (Kanalbildung) Kompression individuelles Sinken, abh. von Dichte und Partikelgröße, beeinflusst von Konz. dispergiert stark geflockt Intensität der Flockung kollektives Sinken (enge Zwischenräume kein Überholen möglich), abh. von Dichte und Konz. Schema nach Fitch und Schubert Folie 32 von 56

33 Längsbecken K. Winkler. Räumung in Nachklärbecken von Abwasserreinigungsanlagen. Dissertation, ETH Zürich, Versuchsanstalt Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie, Folie 33 von 56

34 Rundbecken Folie 34 von 56

35 Rundbecken hohe Bauform Folie 35 von 56

36 Schrägklärer Zulauf Geschwindigkeitskomponenten am Partikel Klarlauf Steigrohre für Klarflüssigkeit Schlammtrichter Trüblauf (Schlammaustrag) Gleichstromführung: Schema & Bauform (Fabricius Pro Terra GmbH) Folie 36 von 56

37 Hydrozyklon Zulauf Oberlauf Luftschlauch Unterlauf trifugalabscheider.jpg Folie 37 von 56

38 Dekanterzentrifuge SIEBTECHNIK GmbH, Mülheim a.d. Ruhr, WB253.4/ RE Folie 38 von 56

39 Spiralplattenzentrifuge Filtrieren & Separieren, Jg. 25, Heft 5, 2011, S. 285 Folie 39 von 56

40 Filtration Folie 40 von 56

41 Lernziele zu Kapitel 5 Wissen: Welche Filtrationsprinzipien werden unterschieden? Für welche Trennaufgaben werden sie in der Praxis genutzt? Nennen Sie 3 typische Filtrationsapparate! Fähigkeiten: Berechnung des Druckverlustes für eine durchströmte Schüttung Ermittlung der Filtrationsparameter aus dem Handfilterversuch Berechnung des mittleren Filtratdurchsatzes bei der Kuchenfiltration Folie 41 von 56

42 Relevanz der Filtration Folie 42 von 56

43 Filtrationsprinzipien Siebfiltration Oberflächenfiltration Kuchenfiltrat. (stat. OF-Filtrat.) Querstromfiltrat. (dynam. OF-Filtrat.) Tiefenfiltration Retentat Filtrat Filtrat Filtrat (Permeat) Filtrat Folie 43 von 56

44 Tiefenfiltration Abscheidemechanismen: Impaktion (Trägheitsabscheidung) Interzeption (Sperreffekt) Diffusion außerdem: Sedimentation Siebwirkung Elektrische Anziehung Folie 44 von 56

45 Querstromfiltration Querströmung w Diffusion Lift-Kraft F L Partikel- Wechselwirkungen! Elektrostatik! van-der-waals Kräfte! sterische Effekte Reibung F F Schleppkraft F D Partikelwechselwirkungen + Schleppkraft Permeatstrom Folie 45 von 56

46 Schüttschichtfilter Normalbetrieb Regeneration Stieß: Mechanische Verfahrenstechnik 1, Springer 1992 Folie 46 von 56

47 Schichtenfilter Seitz, Firmenbrochüren Folie 47 von 56

48 Ablagerungen auf den Fasern eines Tiefenfilters Folie 48 von 56

49 Kammerfilterpresse Betrieb Entleeren Stieß: Mechanische Verfahrenstechnik 1, Springer 1992 Folie 49 von 56

50 Kammerfilterpresse Stieß: Mechanische Verfahrenstechnik 1, Springer 1992 Folie 50 von 56

51 Bandfilter Stieß: Mechanische Verfahrenstechnik 1, Springer 1992 Folie 51 von 56

52 Querstromfiltration Modul aus Hohlfasermembranen Querstromfiltrationsanlage Folie 52 von 56

53 Anschwemmfiltration 1. Entlüftung 2. Anpressvorrichtung für Filterpaket 3. Einzeleinlaufverteiler und Distanzrohr 4. Abstützfüßchen 5. Filterelement 6. Filtratablaufwelle 7. Filterkessel mit Schauluke 8. Kieselguraustragevorrichtung 9. Kieselguraustragestutzen 10. Manschettenspülung/Leckage 11. Hydraulikaggregat 12. Zentraler Einlauf 13. Abdüsanlage 14. Restfiltrationselemente 15. Einlauf, Kessel füllen 16. Wellenabdichtung 17. Restfiltratauslauf 18. Hauptfiltratauslauf 19. Hydraulikmotor PRIMUS Kieselgurfilter Folie 53 von 56

54 Filterhilfsmittel Kieselgur Perlite Folie 54 von 56

55 Abluftfilter Beutelfilter Filterkartusche, mehrlagig austinfiltersuper.jpg Folie 55 von 56

56 Auch das ist Mechanische Verfahrenstechnik: Folie 56 von 56