EINFÜHRUNG IN DIE THERMISCHE VERFAHRENSTECHNIK

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1 EINFÜHRUNG IN DIE THERMISCHE VERFAHRENSTECHNIK von Peter Grassmann Fritz Widmer unter Mitarbeit von Hans H. Schicht. Gerhard Schütz Erich Weder 2. Auflage w DE- / Walter de Gruyter Berlin New York 1974

2 Inhaltsübersicht Häufig benützte Formelzeichen Allgemeine Literaturübersicht XIV XVI Kapitel 1: Allgemeine Grundlagen (P. GRASSMANN) 1.1 Mechanische und thermische Verfahrenstechnik Erhaltungssätze und Bilanzgleichungen Exergiebilanzen Konzentrationsmaße Absatzweiser und kontinuierlicher Betrieb Maßsysteme Einige Hinweise für die Literatursuche..' 15 Kapitel 2: Wärmeaustauscher (E. WEDER) 2.1 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. ' Dielektrische Heizung Wärmeübertragungsmittel Kapitel 3: Verdampfer und Kondensatoren (E. WEDER) 3.1 Der Wärmeübergang beim Verdampfen Bauarten von Verdampfern Der Wärmeübergang^beim Kondensieren Bauarten von Kondensatoren 50

3 Vm Inhaltsübersicht Kapitel 4: Grundlagen der Trennprozesse (F. WIDMER) 4.1 Definitionen Gasgemische Die reversible Trennarbeit idealer Gasgemische Aggregatzustandsänderungen reiner Stoffe Lösungen Das RAom/rsche Gesetz Anwendung auf ideal verdünnte Salzlösungen Mischungswärme Enthalpie-Konzentrationsdiagramme Das Hebelgesetz und die Mischungsgerade Der Verlauf der Isothermen in der flüssigen und in der gasförmigen Phase Der Verlauf der Isothermen im Zweiphasengebiet, Gleichgewichtsverhalten 65 Kapitel 5: Zerlegung von Gemischen durch Verdampfen (E. WEDER) 5.1 Eindampfen und Verdampfen wässeriger Lösungen Darstellung im h, w-diagramm und Berechnung der Wärmemengen Wärmeökonomie, Brüdenverdichtung, Mehrfacheffekt Destillation Zur Theorie der Lösungen Die offene Destillation 79 Kapitel 6: Rektifikation (E. WEDER) 6.1 Einführung Die Bilanzgeraden im McCABE-TirtELE-Diagramm Die Verstärkungsgerade Die Abtriebsgerade Die Bodenkolonne Der Glocken- und der Siebboden Die Zahl der theoretischen Böden Das Verstärkungsverhältnis Die Flüssigkeitsführung und Sonderbauarten von Rektifizierböden Das Mindestrücklaufverhältnis Berechnung einer vollständigen, stetig arbeitenden Bodenkolonne Berechnung im h, tü-diagramm Der Druckabfall eines Bodens Kolonner.überschnitt und Bodenabstand 115

4 Inhaltsübersicht IX 6.4 Die Füllkörperkolonne Einführung HETP, NTU, HTU und Kolonnenhöhe Der Druckabfall und die Belastungsverhältnisse in Füllkörperkolonnen Rektifikation unter erschwerten Bedingungen Vakuum-und Wasserdampfrektifikation Dreistoffrektifikätion Mehrstoffrektifikation Zugabe weiterer Komponenten zur Veränderung der Gleichgewichtskurve und die extraktive Rektifikation 130 Kapitel 7: Absorption und Gaswasclvung (F. WIDMER) 7.1 Einleitung und Definitionen ; Grundlegende Beziehungen, Bilanzgerade Allgemeine Anforderungen an ein Waschmittel Phasengleichgewichte Phasengleichgewichte von physikalisch lösenden Waschmitteln Phasengleichgewichte von chemisch wirkenden Waschmitteln Literaturangaben über Gleichgewichtsdaten Stoffaustauschvorgänge Zweifilmtheorie Turbulenztheorien " Aufnahme der Absorptionswärme Berechnung der theoretischen Bodenzahl n lh Bestimmung der Kolonnenhöhe von Füllkörperkolonnen Zahl und Höhe von Übergangseinheiten Wahl des Durchmessers von Absorptionskolonnen Füllkörperkolonnen Bodenkolonnen Absorbertypen Oberflächen- und Dünnschichtabsorber Füllkörperkolonnen Gasblasenwäscher (Bodenkolonnen) Apparate mit Flüssigkeitszerstäubung Regeneration des Lösungsmittels Regeneration durch Austreiben im inerten Gasstrom Regeneration durch Entspannen Regeneration durch Auskochen Beispiel eines Regenerationsprozesses Bemerkungen zur Betriebsweise von Absorptionsanlagen

5 X Inhaltsübersicht Kapitel 8: Extraktion (F. WIDMER) 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 Sprühkolonnen Fiülkörperkolonnen Bodenkolonnen Rührkolonnen Extraktoren Auswahl der geeigneten Extraktionseinrichtung Längsmischung in Flüssig-Flüssig Extraktions-Kolonnen Stufenmodell Backflow-Modell Dispersionsmodell Beispiele von Extiaktionsprozessen Entfernung von Merkaptanen aus Kohlenwasserstoffen Reinigung von Rohcaprolactam 205 Kapitel 9: Adsorption und Ionenaustausch (H. H. SCHICHT) 9.1 Allgemeines Adsorption Der Adsorptionsvorgang, Sorptionsisothermen Die technischen Adsorbentien Molekularsiebe Die Adsorption aus der Gasphase Die Adsorption aus der flüssigen Phase Chromatographie Ionenaustr.usch 215

6 Inhaltsübersicht XI Kapitel 10: Trocknung fester Stoffe (H. H. SCHICHT) 10.1 Einleitung, Definitionen Der feuchte Körper Die Arten der Feuchtigkeitsbindung Die Bewegung der Feuchtigkeit im Gut Das feuchte Gas Das h,.x-diagramm nach MOLLIER Zur Anwendung des h, X-Diagrammes nach MOLLIER Die Wärmeübertragung an das. feuchte Gut Konvektionstrocknung Kontakttrocknung ^3 Strahlungstrocknung Trocknung durch im Gut gespeicherte Wärme (adiabate Vakuumtrocknung) 23P Dielektrische Trocknung 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 Die Gefriertrocknung Kriterien zur Auswahl des optimalen Trocknungsverfahrens Kapitel 11: Kristallisation (H. II. SCHICHT/G. SCHÜTZ) 11.1 Allgemeines Definitionen und Grundbegriffe Löslichkeit und Überlöslichkeit Die Keimbildung Das Kristallwachstum Kristalltracht, Dendriten und Whiskers Lösungs- und Kristallisationsenthalpie Kristallisatoren Verdampf ungskristallisatoren Kühlungskrist^liisatoren Vakuumkristallisatoren 262

7 XII Inhaltsübersicht 11.9 Fraktionierte Kristallisation Gegenstrom-Verfahren mit Rücklauf Andere Verfahren Weitere Kristallisationsverfahren Adduktive Kristallisation Züchtung großer Einkristalle Höchstdruckkristallisation Kristallisation mittels Transportreaktionen 268 Kapitel 12: Verschiedene Trennverfahren (H. H. SCHICHT) 12.1 Sonderverfahren zur Isotopentrennung Die Kaskadentheorie Physikalische Verfahren der Isotopentrennung Chemische und elektrochemische Verfahren der Isotopentrennung Elektrophorese Umgekehrte Osmose oder Hyperfiltration Dialyse und Elektrodialyse 276 Kapitel 13: Verweilzeit und Verweilzeitspektrum (H. H. SCHICHT) 13.1 Verweilzeitspektrum und mittlere Verweilzeit Die Übergangsfunktion Die Frequenzgangdarstellung des Verweilzeitverhaltens Verweilzeitvcrhalten und Längsvermischung 286 Kapitel 14: Das chemische Gleichgewicht (G. SCHÜTZ) 14.1 Einleitung Das Massenwirkungsgesetz Anwendungen des Massenwirkungsgesetzes Anwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik auf chemische Reaktionen Entropieänderungen bei chemischen Reaktionen und der NERNSTsche Wärmesatz Reversible Arbeit chemischer Reaktionen Die Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten

8 Inhaltsübersicht XIII Kapitel 15: Reaktionskinetik (G. SCHÜTZ) 15.1 Einleitung Molekularität der Reaktionen Reaktionsordnung Die Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten Zusammengesetzte Reaktionen Polymerisationen Explosionen Heterogene Reaktionen Die Katalyse 324 Kapitel 16: Reaktoren (G. SCHÜTZ) 16.1 Einleitung Einteilung der Reaktoren Chargenweiser und kontinuierlicher Betrieb (Satzbetrieb und Fließbetrieb) 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 Lösungen zu den Aufgaben. 347 Literaturverzeichnis Register '. 378