Einführung in die thermische Verfahrenstechnik

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1 Peter Grassmann Fritz Widmer Hansjörg Sinn Einführung in die thermische Verfahrenstechnik?., vollständig überarbeitete Auflage Herausgegeben von ;- Fritz Widmer und Hansjörg Sinn ; unter Mitarbeit von Hans Günther Hirschberg, Peter Kaiser, Artur Ruf und Raoul Waldburger wde G Walter de Gruyter Berlin New York 1997

2 ifhhaltsübersicht "Vorwort r.häufig benutzte Formelzeichen V XV. f \y Allgemeine Grundlagen \eter Grassmann, Fritz Widmer ftl " Mechanische und thermische Verfahrenstechnik Erhaltungssätze und Bilanzgleichungen Exergiebilanzen Konzentrationsmaße Absatzweiser und kontinuierlicher Betrieb.... Sicherheitsbetrachtungen 15 Einige Hinweise für die Literatursuche Wärmetauscher Peter Kaiser Einleitung Bilanzgleichungen für Gleich-, Gegen- und Kreuzstrom Wärmeübergang und Wärmedurchgang Einführung dimensionsloser Kennzahlen.... ; Gebrauchsformeln und Diagramme für den Wärmeübergang und den Druckverlust Wirtschaftlichkeit Konstruktives und Sonderbauarten Rohrbündelwärmeaustauscher Sonderbauarten (ohne Rohrbündel) Einige allgemeine Richtlinien zur Konstruktion von Wärmeaustauschern Beheizte Gefäße Wasserdampf als Heizmittel Induktionsheizung Dielektische Heizung 40

3 VIII Inhaltsübersicht 2.9 Wärmeübertragungsmittel Wärmeübertragung in der Wirbelschicht Einleitung Wärmeübertragung zwischen Fluid und Partikeln in der Wirbelschicht Wärmeübertragung zwischen Gas/Feststoff-Wirbelschichten und Einbauten Wirbelschicht-Wärmeübertrager 48 3 Verdampfer und Kondensatoren 53 Peter Kaiser, Fritz Widmer 3.1 Der Wärmeübergang beim Verdampfen Bauarten von Verdampfern Der Wärmeübergang beim Kondensieren Bauarten von Kondensatoren 73 4 Grundlagen der Trennprozesse 77 Fritz Widmer, Raoul Waldburger 4.1 Definitionen Gasgemische Die reversible Trennarbeit idealer Gasgemische Aggregatszustandsänderungen von reinen Stoffen Lösungen Das Raoultsche Gesetz Anwendung auf ideal verdünnte Salzlösungen Mischungswärme Enthalpie-Konzentrations-Diagramme Das Hebelgesetz und die Mischungsgerade Der Verlauf der Isothermen in der flüssigen und in der gasförmigen Phase Der Verlauf der Isothermen im Zweiphasengebiet, Gleichgewichtsverhalten Stoffdaten Viskosität Wärmeleitfähigkeit Diffusionskoeffizient Oberflächenspannung Weitere Angaben 96

4 Inhaltsübersicht IX 5 Zerlegung von Gemischen durch Verdampfer 97 Hans Günther Hirschberg 5.1 Eindampfen und Verdampfen wäßriger Lösungen Darstellung im h, w-diagramm und Berechnung der Wärmemengen Verbesserung der Wärmenutzung Destillation Zur Theorie der Lösungen Die offene Destillation Rektifikation 115 Hans Günther Hirschberg 6.1 Einführung 115,6.2 Die Bilanzgerade im McCabe-Thiele-Diagramm Die Verstärkungsgerade Die Abtriebsgerade Die Bodenkolonne 125 $.3.1 Aufbau einer Bodenkolonne 125 j6.3.2 Die Zahl der theoretischen Böden Das Verstärkungsverhältnis 129 is.3.4 Das Mindestrücklaufverhältnis Berechnung einer vollständigen, stetig arbeitenden Bodenkolonne 132 ;6.3.6 Berechnung im h,w-diagramm... \ Der Druckabfall in der Bodenkolonne 146 ".3.8 Kolonnenquerschnitt und Bodenabstand 148 i.4 Die Packungskolonne 150 ;.4.1 Einführung HETP, NTU, HTU und Kolonnenhöhe ,4.3 Druckabfall und Belastbarkeit von Packungskolonnen Spezielle Rektifikationsprozesse Mehrstoffrektifikation 159 '.5.2 Rektifikation mit Hilfsstoffen 160 >5.3 Rektifikation von Azeotropen. 161 '.5.4 Reaktivdestillation Molekulardestillation 164 Absorption und Gaswäsche 169 'ans Günther Hirschberg, Fritz Widmer 7.1 Einleitung und Definition 169 '7.2 Grundlegende Beziehungen, Bilanzgerade Allgemeine Anforderungen an ein Waschmittel 172

5 X Inhaltsübersicht 7.4 Phasengleichgewichte Phasengleichgewichte von physikalisch lösenden Waschmitteln Phasengleichgewichte von chemisch wirkenden Lösungsmitteln Literaturangaben über Gleichgewichtsdaten Stoffaustauschvorgänge Zweifilmtheorie Turbulenztheorien Aufnahme der Absorptionswärme Berechnung der theoretischen Bodenzahl Bestimmung der Höhe von Packungskolonnen Zahl und Höhe von Übergangseinheiten Absorber Rohrabsorber Rieselabsorber Gegenstromabsorptionskolonnen Gleichstromabsorptionskolonnen Absorber mit mechanischer Zerstäubung Regeneration des Waschmittels Regeneration durch Austreiben im inerten Gasstrom Regeneration des Waschmittels durch Entspannen Regeneration durch Auskochen Beispieleines Regenerationsprozesses Bemerkungen zur Betriebsweise von Absorptionskolonnen Absorptionsvorgang mit einem chemisch wirkenden Waschmittel Extraktion/Hochdruckextraktion 213 Fritz Widmer, Raoul Waldburger 8.1 Definitionen und Anwendungen Anwendung der Flüssig/Flüssig-Extraktion Gleichgewichte von Flüssig/Flüssig-Systemen Durchführung der Extraktion Absatzweise Extraktion Kontinuierliche Gegenstromextraktion Wahl des Extraktionsmittels Berechnung der Gegenstromextraktion unter vereinfachenden Annahmen Verfeinerte Berechnung der Gegenstromextraktion unter Berücksichtigung der gegenseitigen Löslichkeit von Abgeber und Aufnehmer Bestimmung der Höhe von Füllkörperkolonnen Wahl der dispersen und der kontinuierlichen Phase Extraktionsapparate Mischer-Abscheider (Mixer-Settler) Sprühkolonnen 240

6 Inhaltsübersicht XI Füllkörperkolonnen Bodenkolonnen Rührkolonnen Extraktoren (Zentrifugalextraktoren) Auswahl der geeigneten Extraktionseinrichtung Längsmischung in Flüssig/Flüssig-Extraktionskolonnen Stufenmodell (Zellenmodell) Backflow-Modell Dispersionsmodell Hochdruckextraktion Einleitung Eigenschaften verdichteter Gase Beispiele von Extraktionsprozessen Entfernen von Mercaptanen aus Kohlenwasserstoffen Reinigung von Rohcaprolactam Adsorption und Ionenaustausch 265 Hans Günther Hirschberg 9.1 Allgemeines Adsorption Der Adsorptionsvorgang. Sorptionsisothermen Die technischen Adsorbentien Die Adsorption aus der Gasphase Die Adsorption aus der flüssigen Phase 275, Chromatographie Ionenaustausch Trocknung fester Stoffe 281 Peter Kaiser 10.1 Einleitung, Definitionen Der feuchte Körper.' Die Arten der Feuchtigkeitsbindung Die Bewegung der Feuchtigkeit im Gut 285 rlo.3 Das feuchte Gas 286 " Das /*,X-Diagramm Zur Anwendung des /*,Z-Diagramms 289 g/10.4 Die Wärmeübertragung an das feuchte Gut Konvektionstrocknung 293 ' Kontakttrocknung Strahlungstrocknung Trocknung durch im Gut gespeicherte Wärme (adiabate Vakuumtrocknung) , Dielektrische Trocknung 296

7 XII Inhaltsübersicht 10.5 Der Verlauf der Trocknung Der erste Trocknungsabschnitt Der Knickpunkt Der zweite Trocknungsabschnitt Der dritte Trocknungsabschnitt Der Trocknungsverlauf unter technischen Bedingungen Die technischen Trockner Konvektionstrockner Kontakttrockner Trockner mit kombinierter Energienutzung Gefriertrocknung Kriterien zur Auswahl des optimalen TrocknungsVerfahrens Kristallisation 315 Hans Günther Hirschberg 11.1 Allgemeines Definitionen und Grundbegriffe Löslichkeit Lösungs- und Kristallisationswärme Übersättigung und Keimbildung Kristallisatoren Verdampfungskristallisatoren Kühlungskristallisatoren Vakuumkristallisatoren Schmelzkristallisation Suspensionskristallisation Schichtkristallisation Weitere Kristallisationsverfahren Adduktive Kristallisation Zonenschmelzen Züchtung spezieller Kristalle Membrantrennverfahren 337 Arthur Ruf, Raoul Waldburger 12.1 Einleitung Begriffe Membranmaterialien Stofftransport durch Membranen Porenflußmodell Lösungsdiffusionsmodell Verfahrenstechnische Grenzen. 344

8 Inhaltsübersicht XIII 3 Membranprozesse Einleitung Mikrofiltration Ultrafiltration Nanofiltration 350! 3.5 Umkehrosmose Dialyse Elektrodialyse Pervaporation 353 "2.3.9 Gaspermeation 355 3, Membrandestillation Flüssigmembrantechnik Modulkonstruktionen Verfahrenstechnische Probleme 358 Verweilzeit und Verweilzeitspektrum 361 jtz Widmer 13.1 Verweilzeitspektrum und mittlere Verweilzeit 361 I'3.2 Die Übergangsfunktion Frequenzgangdarstellung des Verweilzeitverhaltens 370 p.4 Verweilzeitverhalten und Längsmischung 370 fe.5 Charakterisierung von Verweilzeitspektren Das chemische Gleichgewicht...'. 375 'iansjörg Sinn 1,4.1 Einleitung Erster und zweiter Hauptsatz, Reaktionsenthalpie und -energie Das Massenwirkungsgesetz Anwendungen des Massenwirkungsgesetzes Anwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik auf chemische Reaktionen > 384 [14.6 Arbeitsleistung chemischer Reaktionen, Triebkraft Berechnung der Reversiblen Arbeit chemischer Reaktionen mit Hilfe der Entropie (Nernstscher Wärmesatz) 391 [14.8 Die Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten Reaktionskinetik 395 Hansjörg Sinn 15.1 Einleitung Geschwindigkeitsausdruck und Reaktionsordnung Die Konzentrationsabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit

9 XIV Inhaltsübersicht 15.4 Die Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten Reaktionsbeispiele Zusammengesetzte Reaktionen Polymerisationen Explosionen Heterogene Reaktionen Die Katalyse 443 Anhang zu Kapitel Reaktoren 461 Hansjörg Sinn 16.1 Einleitung Einteilung der Reaktoren Chargen weiser und kontinuierlicher Betrieb Die drei Stufen der Reaktionskinetik Dimensionierung von Reaktoren Der homogene, instationäre Rührkessel Der homogene, stationäre Rührkessel Die Rührkesselkaskade Das Reaktionsrohr Wärmeumsatz und Stabilität von Reaktoren Rückführungen Der Einfluß des Druckabfalls und des Verweilzeitspektrums 487 Lösungen zu den Aufgaben 491 Literaturverzeichnis 513 Register 529