Folie 0.1. Trüe. Trüe V Einführung/ Grundlagen Zerkleinerung Trüe. Trüe. Hintz Hintz S Partikelgrößenverteilungen

Transkript

1 Folie 0.1 Wintersemester 2016/2017 Unterlagen: Folien, Vorlesungsskript, Seminaraufgaben, Lösungen und Praktikumsanleitungen Vorlesung: "Mechanische Verfahrenstechnik (Einführung in die Partikeltechnologie)" Mo. 13:15-14:45 Uhr G Seminar: Fr. 9:15-10:45 Uhr G Datum V/S Inhalt verantw V Einführung/ Grundlagen Zerkleinerung Trüe S Zerkleinerung Trüe V Zerkleinerung Trüe S Partikelgrößenverteilungen Hintz V Partikelgrößenverteilungen Hintz S Partikelgrößenverteilungen Hintz Reformationstag S Partikelmesstechnik Hintz V Partikeltrennprozesse Trüe S Trennfunktion Trüe V Siebklassierung Trüe S Siebklassierung Trüe V Partikelbewegung im Fluid Lukas S Partikelbewegung im Fluid Lukas V Turbulente Stromklassierung Lukas S Turbulente Stromklassierung Lukas V Trennmodelle der Stromklassierung Lukas S Trennmodelle der Stromklassierung Lukas V Partikelwechselwirkungen/Haftkräfte Müller S Partikelwechselwirkungen/Haftkräfte Müller V Pulverfließeigenschaften Müller Heilige Drei Könige V Silodimensionierung Müller S Silodimensionierung Müller V Partikelagglomeration Müller S Partikelagglomeration Müller V Partikelmischen Müller S Partikelmischen Müller Schriftliche Prüfung a 120 min

2 Folie 0.2 Empfohlene und weiterführende Literatur zur Lehrveranstaltung Mechanische Verfahrenstechnik: Verfasser/Herausg. Titel Verlag Jahr Schubert, H. Handbuch der Mechanischen Verfahrenstechnik WILEY-VCH, Weinheim 2003 Schubert, H. Mechanische Verfahrenstechnik Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1990 Leipzig Gotoh, K. Powder Technology Handbook Marcel Dekker Inc., New York 1997 Löffler, F., Raasch, J. Grundlagen der Mechanischen Verfahrenstechnischweig Vieweg & Sohn Verlag, Braun Schubert, H. Aufbereitung fester mineralischer Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1989 Rohstoffe, Bnd I Leipzig Schubert, H. Aufbereitung fester Stoffe, Bnd II: Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1996 Sortierprozesse Stuttgart Schubert, H. Aufbereitung fester mineralischer Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1984 Rohstoffe, Bnd III Leipzig Stiess, M. Mechanische Verfahrenstechnik Springer Verlag, Berlin 2009 Partikeltechnologie 1 Stiess, M. Mechanische Verfahrenstechnik 2 Springer Verlag, Berlin 1994 Höffl, K. Zerkleinerungs- und Klassier- AVS-Institut, Unterhaching 1987 maschinen Pahl, M. H., Zerkleinerungstechnik Verl. TÜV Rheinland Köln / Fachbuchverlag 1993 Brundiek, H. Leipzig Buhrke, H., Kecke, Strömungsförderer F. Vieweg Verlag, Braunschweig 1989 H.J., Richter, H. Löffler, F., Raasch, J. Staubabscheiden Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1988 Schulze, D., Pulver und Schüttgüter Fließeigenschaften Springer Verlag, Berlin 2006 und Handhabung Pahl, M. H., Ernst, Lagern, Fördern und Dosieren von Verl. TÜV Rheinland Köln / Fachbuchverlag 1993 R., Wilms, H. Schüttgütern Leipzig Dialer, K., Onken, U., Grundzüge der Verfahrenstechnik Carl Hanser Verlag, München 1986 Leschonski, K. u.a. und Reaktionstechnik Grassmann, P. Physikalische Grundlagen der Verfahrenstechnik Salle / Sauerländer Verlag, Aarau 1983 Zogg, M. Einführung in die Mechanische Verfahrenstechnik B.G. Teubner, Stuttgart 1987 Chemical Engineering Science Chemie-Ingenieur-Technik Chemische Technik Particle Characterization Powder Handling and Processing Powder Technology Verfahrenstechnik

3 Folie 0.3 Inhalt: 1. Einführung, Kennzeichnung disperser Stoffsysteme, Granulometrie, Partikelcharakterisierung, Partikelgrößenverteilungen, Mengenarten, statistische Momente, Verteilungskennwerte, Oberfläche, physikalische Partikelmessmethoden, Partikelform, Packungszustände 2.1 Partikelherstellung durch Zerkleinerung, Prozessziele, Festkörperbindungen, Materialverhalten und Bruchmechanik, Rissbildung, Beanspruchungsarten, Mikroprozesse der Zerkleinerung, 2.2 Bewertung und Kenngrößen des makroskopischen Prozesserfolges, Wirkprinzipien und Einsatzgebiete der Brecher und Mühlen, funktionelle Maschinenauslegung 3.1 Trennung von Partikeln, mechanische Trennprozesse, Kennzeichnung des Trennerfolges durch die Trennfunktion, Bewertung der Trennschärfe 3.2 Siebklassierung, Partikeldynamik, Wirkprinzipien und Einsatzgebiete von Siebmaschinen, funktionelle Maschinenauslegung 4.1 Stromklassierung, Partikelbewegung im Fluid, Strömungs- und Feldkräfte, stationäre Partikelsinkgeschwindigkeit, 4.2 Einführung in die Kennzeichnung turbulenter Strömungen, turbulente Partikeldiffusion, turbulente Gegenund Querstromklassierung der Partikel in Wasser und Luft, 4.3 Trennmodelle, Wirkprinzipien und Einsatzgebiete turbulenter Gegenstrom- und Querstrom-Klassierapparate, Hydrozyklonauslegung, Gegenstrom- und Querstromwindsichter 5. Verschaltung von Zerkleinerungs- und Klassierprozessen 6.1 Transport und Lagerung von Partikelsystemen, Wechselwirkungen, molekulare Bindungen und mikromechanische Partikelhaftkräfte, 6.2 Makroskopische Spannungszustände, Fließkennwerte, Meßmethoden, Fließverhalten kohäsiver Pulver, 6.3 Probleme bei der praktischen Pulverhandhabung, Problemlösung mittels fließgerechter Auslegung von Massen- und Kernflusssilos (-trichtern) 7. Partikelformulierung durch Agglomeration, Ziele der Agglomeration und physikalischen Produktgestaltung, Agglomeratfestigkeit, Wirkprinzipien und Einsatzgebiete von Pelletiermaschinen, Brikett-, Tabletten- und Walzenpressen 8. Vermischen von Partikeln, stochastische Homogenität, Mischkinetik, Wirkprinzipien und Einsatzgebiete von Feststoffmischern, Trommel- und Zwangsmischer, Durchströmbarkeit feiner Partikelpackungen und Homogenisierung in einer Wirbelschicht.

4 Folie 0.4 Prüfungsschwerpunkte Mechanische Verfahrenstechnik Wintersemester 2012/13 1) Granulometrie: Zustandsbeschreibung disperser Stoffsysteme, physikalische Partikel- und Produkteigenschaften, was kennzeichnet die Partikelgröße? Verteilungsfunktion und Verteilungsdichte, zugehörige Partikelgrößenkennwerte, moderne Meßmethoden der Partikelgrößen- und Partikelformverteilungen, spezifische Oberfläche, Partikeldichte und deren Meßmethoden, Kennzeichnung des Packungszustandes; 2) Zerkleinerung: Prozessziele der Zerkleinerung, Festkörperbindungen, Beanspruchungsarten, Rissausbreitung, Bruchvorgänge und Mikroprozesse, Prozessbewertung des Zerkleinerungserfolges, Mengenbilanzierung und Zerkleinerungskinetik; Aufbau, Wirkprinzipien, Prozessauslegung, Maschinenparameter und Einsatzgebiete ausgewählter Brecher und Mühlen (Kegel-, Walzen-, Prall- und Hammerbrecher, Prall-, Hammer-, Trommel-, Schwing- und Rührwerksmühlen); 3) Siebklassierung: Wirkprinzipien und Einsatzgebiete der Sortier- und Klassierprozesse, Prozessbewertung mittels Trennfunktion und Trennschärfe, Kräfte bei der Siebung, Sieb- und Wurfkennziffer, Siebdurchgangswahrscheinlichkeit und -geschwindigkeit, Siebkinetik; Wirkprinzipien der Siebmaschinen und deren Trennbereiche; Aufbau, Wirkprinzipien, Prozessauslegung, Schwingungsparameter und Einsatzgebiete ausgewählter Siebmaschinen (Exzenterschwingsiebe, Kreiswuchtschwingsiebe und Stößelschwingsiebe); 4) Stromklassierung: Partikelbewegung im Fluid, Partikelumströmung, stationäre Sinkgeschwindigkeit, Mikro- und Makroturbulenz, turbulente Partikeldiffusion, Prozessbewertung mittels Trennmodelle der turbulenten Querstrom- und Gegenstromklassierung, Einfluss der Turbulenz; Aufbau, Wirkprinzipien, Prozessauslegung, Apparate- und Maschinenparameter sowie Einsatzgebiete ausgewählter Klassierer (laminarer Querstromklassierer, Hydrozyklone, Windsichter, Zentrifugalradsichter); 5) Verschaltung der Zerkleinerungs- u. Klassierprozesse, verfahrenstechnische Grundschaltungen, Kreisläufe, Zielgrößen, Bilanzierung, Variantenvergleiche u. Optimierung nicht Gegenstand der mündlichen Prüfung! 6) Silodimensionierung: Haftkräfte zwischen feinen Partikeln, Fliessorte und Fließkennwerte kohäsiver Schüttgüter anhand eines =f( )-Diagramms, Fließfähigkeit und Kompressibilität kohäsiver Pulver, Wirkprinzipien der Schergeräte, Methodik eines Scherversuches; Probleme, Vor- und Nachteile der Kern- und Massenflussbunker, Methodik der fließgerechten Auslegung eines Massenflussbunkers (Verfestigungsfunktionen und Auslegungsdiagramme); 7) Mischen: Mischungszustände, stochastische Homogenität, Prozessbewertung mittels Mischgüte, Mischkinetik, Wirkprinzipien des Feststoffmischens, Makro- und Mikromischen, Durchströmung von Partikelschichten, Permeabilität und Wirbelverhalten; Aufbau, Wirkprinzipien, Prozessauslegung, Maschinenparameter sowie Einsatzgebiete ausgewählter Mischer (Trommel-, Zwangs-, Wirbelschichtmischer); 8) Agglomeration: Prozessziele und Wirkprinzipien der Agglomeration, Partikelhaftkräfte, Agglomeratfestigkeit, Beanspruchungsarten und Messmethoden zur Bewertung der Produktqualität, Kompressibilität und Verpressbarkeit kohäsiver Pulver; Aufbau, Wirkprinzipien, Prozessauslegung, Maschinenparameter sowie Einsatzgebiete ausgewählter Maschinen (Pelletierteller und -trommel, Stempel- und Tablettenpresse, Walzenpresse).

5 Folie Einleitung 3 1 Kennzeichnung der Eigenschaften disperser Stoffsysteme Überblick über disperse Systeme Partikelgrößenverteilungen und Kennwerte Partikelgrößenmerkmale Partikelgrößenverteilungen Partikelgrößenverteilungsfunktion und verteilungsdichte Analytische Partikelgrößenverteilungsfunktionen Statistische Momente Umrechnung der Mengenarten der Verteilungsfunktionen Kenngrößen der Partikelgrößenverteilungen Multimodale Partikelgrößenverteilungen Messung von Partikelgrößenverteilungen Prüfsiebmethoden Sedimentations- und Stromklassiermethoden Zählmethoden Abbildende Methoden - Bildverarbeitung Feldstörungen Laserlichtbeugung Laborgeräte In-Line-Geräte Streulichtmethoden (Photonenkorrelationsspektrometrie) Kombination von Laserlichtbeugung und Streulicht Ultraschalldämpfungsspektrometer On-Line-Methode mittels Photolumineszenz Beurteilung der Einsetzbarkeit Pyknometrische Messung der Partikeldichte Messung der Oberfläche eines Partikelkollektivs Permeabilitätsmethoden Adsorptionsmethode der Oberflächenmessung Gasadsorption und BET-Methode Einpunkt-BET-Methode Probenvorbehandlung und Platzbedarf A M,g Messgeräte Partikelformmerkmale und Partikelformanalyse Packungszustand von Partikeln Probenahme Auswahl der Probenentnahmemethode Bestimmung der optimalen Einzelprobenanzahl Technische Durchführung der Probennahme Schwerpunkte und Kompetenzen Zerkleinerung Bruchvorgänge und Mikroprozesse des Zerkleinerns Materialverhalten und Bruchvorgänge Materialverhalten Ausbreitung von Dichtestörungen bzw. Schallwellen... 72

6 Folie Rissbildung, Rissausbreitung und Bruchvorgänge Energiebilanz der Rissausbreitung & Zerkleinerungsgrenze Mikroprozesse des Zerkleinerns Beanspruchungsarten Einzelpartikelbeanspruchung Bruchstückgrößenverteilung Partikelschichtbeanspruchung Mechanische Aktivierung und Mechanochemie Parameter der Makroprozesse in Zerkleinerungsmaschinen Technische Zerkleinerungsarbeit und Zerkleinerungsgesetze Wirkungsgrad eines technischen Zerkleinerungsprozesses Produktfeinheit = f(zerkleinerungsarbeit) Abschätzung des zeitlichen Zerkleinerungsfortschrittes Bilanzmodelle von Zerkleinerungsprozessen Bewertung des Prozesserfolges der Zerkleinerung Zerkleinerungsmaschinen Backen- und Kegelbrecher Walzenbrecher und mühlen Prallbrecher und Prallmühlen Hammerbrecher und Hammermühlen Wälzmühlen Trommelmühlen Planetenmühlen Schwingmühlen Strahlmühlen Scheibenmühlen Rührwerksmühlen Scheren und Schneidmühlen Sonstige Maschinen zur mechanischen Zerkleinerung Thermische Zerkleinerung Versprühen Schwerpunkte und Kompetenzen Siebklassierung Kennzeichnung des Trennerfolges eines Trennprozesses Trennfunktion weitere Kennwerte des Trennerfolges eines Siebprozesses Siebklassieren Grundlagen des Siebklassierens Siebgutbewegung und Maschinenparameter Siebdurchgangswahrscheinlichkeit und Trennfunktion Durchgangsgeschwindigkeit und Siebdurchsatz Feuchtes Siebgut Modellierung der Siebkinetik Siebböden Prüfsiebe Ausrüstungen für die Siebklassierung Roste und Trommelsiebe Schwing- oder Wurfsiebe Sonderbauarten Schwerpunkte und Kompetenzen

7 Folie Stromklassierung Relativbewegung der Partikel in einem Fluid Wirkende Strömungs- und Feldkräfte Bewegung steifer Partikel in einer stationären Strömung Stationäre Partikelbewegung Gleichmäßig beschleunigte Partikelbewegung Freier Fall und senkrechter Wurf eines Partikels Kräftegleichgewicht für homogene Umströmung Analytische Lösungen für laminare Umströmung Näherungslösungen für turbulente Umströmung Bewegung deformierbarer Partikel in stationärer Strömung Bewegung von Partikelschwärmen Homogene Durchströmung von Partikelschichten Stationäre Durchströmung von Partikelschichten Sedimentation einer gleichmäßig beschleunigten und durchströmten Partikelschicht Analytische Lösungen für laminare Durchströmung Näherungslösungen für turbulente Durchströmung Beschleunigtes Auslaufverhalten und Durchströmung Partikelbewegung im Fliehkraftfeld einer Wirbelströmung Turbulente Transportvorgänge Kennzeichnung von turbulenten Strömungen Transportvorgänge in turbulenten Strömungen Turbulenter Transport in Einphasenströmungen Mischkinetik der Mikro- und Makroturbulenz Turbulenter Partikeltransport Trennmodelle und Trennerfolg des Stromklassierens Allgemeines Bilanzmodell - FOKKER-PLANCK-Gleichung Querstromklassierung laminare Querstromhydroklassierung turbulente Querstromklassierung Turbulente Gegenstromklassierung Kennzeichnung des Trennerfolges des Stromklassierprozesses Hydroklassierung Schwerkraft-Hydroklassierer Zentrifugalkraft-Hydroklassierer Windsichten Prozessziele des Windsichtens Partikeltrennung in einer Wirbelsenke Modell der Spiralwindsichtung und Trennkorngröße Turbulenzmodell der Trennkorngröße Wirkprinzipien der Windsichtung Windsichter Schwerkraft-Windsichter Zentrifugalkraft-Windsichter Mehrstufige turbulente Querstrom-Aerotrennung im Zick-Zack-Kanal Stationäre Partikelanzahlkonzentrationsverteilung Trennfunktion für die mehrstufige Trennung Trennfunktion, Trennmerkmale und Trennschärfe

8 Folie Wirksame Trennstufenzahl und Trennstufen-Ausnutzungsgrad Prozessbewertung mehrstufiger Querstromtrennungen Staubabscheiden Entstauben Staubabsaugung Staubabscheidung Schwerkraftabscheider Zentrifugalkraftabscheider Elektrische Abscheider Filtrationsabscheider Nassabscheider Tropfenabscheider Schwerpunkte und Kompetenzen Kombination von Zerkleinerungs- und Klassierprozessen Elemente und Grundschaltungen verfahrenstechnischer Systeme Reihenschaltung und Kaskadenschaltung Parallelschaltung und Umgehungsschaltung Rückführschaltung Schaltungen von Zerkleinerungs- und Klassierprozessen Zerkleinerungsprozesse Klassierprozesse Trennfunktion einer Reihenschaltung von Klassierern Trennfunktion einer Parallelschaltung von Klassierern Schaltungsvarianten von Zerkleinerungs- und Klassierprozessen Reihenschaltung mit Vorzerkleinerung oder Vorklassierung Kreislaufschaltungen Kreislaufschaltung mit Nachklassierung Integrierte innere Kreisläufe in den Zerkleinerungsmaschinen Kreislaufschaltung mit Vorklassierung Verfahrenstechnische Fließbilder mit Maschinensymbolen Auslegungsschritte für Zerkleinerungs- u. Klassiersysteme Zerkleinerungs- und Klassieranlagen Schwerpunkte und Kompetenzen Transport und Lagerung von Partikelsystemen Molekulare Wechselwirkungen und Partikelhaftkräfte Bindung durch Adhäsionskräfte zwischen den Partikeln Bindungsarten Adhäsionskräfte Wasserstoffbrückenbindungen VAN-DER-WAALS-Kräfte Mikromechanische Bewertung des Haftvermögens elektrostatische Kräfte Vergleich der Adhäsionskräfte Oberflächenrauhigkeit und VAN-DER-WAALS-Kräfte Haftkraftminimum beschichteter Partikel Zugabemenge an Nanopartikel 374

9 Folie Rauhigkeitseinfluß auf die Adhäsionskräfte Mikromechanik der Kontaktdeformation und Haftkraftverstärkung Einfluss von Adsorptionsschichten Modellierung der Schüttgut- bzw. Agglomeratfestigkeit Bindung mit Hilfe benetzender Flüssigkeiten Bindung durch Flüssigkeiten niedriger Viskosität Kapillarkraftmodell Zerreißarbeit einer Flüssigkeitsbrücke Viskose Bindekraft Einaxiale Zugfestigkeit Flüssigkeitsbindung in Partikelpackungen Bindung durch Flüssigkeiten hoher Viskosität Bindung durch Festkörperbrücken Kristallisationsbrücken chemische Brückenbindungen Sinterbrücken Formschlüssige Bindungen Spannungszustand und Fließverhalten von Schüttgütern Ruhedruckbeiwert Herleitung des MOHRschen Spannungskreises Bruchhypothesen und Fließkriterien Fließkennwerte von Schüttgütern Fließfunktion Kompressionsfunktion Messung der Fließeigenschaften von Schüttgütern Lagerung von Schüttgütern Verfahrenstechnische Probleme mit Silos und Bunkern Auslegung von Silos und Bunker Auslegungsschritte einer Speicheranlage Auslegung eines Massenflusstrichters Auslegung eines Kernflusstrichters Austraggeräte und Austraghilfen Verweilzeitverhalten bei stationärem Partikeltransport Verweilzeitverteilungsfunktion und verteilungsdichte Charakteristische Prozessmodelle des Verweilzeitverhaltens Lösung der zweiten KOLMOGOROFF-Differentialgleichung Schwerpunkte und Kompetenzen Agglomeration Festigkeit der Agglomerate Aufbauagglomeration Prozessgrundlagen Pelletierausrüstungen Pelletierteller Pelletiertrommeln Pellethärtung Pressagglomeration (Brikettieren, Tablettieren) Kompressibilität und Verpressbarkeit Mikroprozesse Kompressibilität der Stoffe

10 Folie Ausrüstungen für die Pressagglomeration Stempel- und Tablettenpressen Strang- und Lochpressen Walzenpressen Schwerpunkte und Kompetenzen Mischen Mischen von Partikelsystemen Kennzeichnung des Mischungszustandes von Partikelsystemen Stochastische Homogenität und Modell der vollständigen Zufallsmischung Kinetik des Mischens von Partikelsystemen Auslegung der Kinetik Mischer für Partikelsysteme Rotierende Mischbehälter Prozessbedingungen Auslegung Zwangsmischer mit Agitationsorganen Homogenisiersilos (mit festen Einbauten) Pneumatische Mischer Durchströmungsverhalten von Partikelschichten Durchströmung von Wirbelschichten Auslegung von Wirbelschichtmischern Strahlmischer Schwerpunkte und Kompetenzen

11 Folie 0.11 Definitionen Gegenstand der Verfahrenstechnik: Ingenieurwissenschaft mit integrierendem Charakter, schließt ein - die Energiewandlung (Energieprozesstechnik und Energietechnik) und - die Informationswandlung (Systemtechnik, Informationstechnik, Informatik); Gegenstand ist die nachhaltige, energetisch effiziente, ökologisch verträgliche, industrielle Stoffwandlung zum Zwecke der wirtschaftlichen Nutzung, wobei die Form der Stoffe keine primäre Bedeutung besitzt ( Fertigungstechnik). Stoffwandlung: Änderung der physikalischen, physikalisch-chemischen und/oder der chemischen, bio-chemischen Eigenschaften (= Stoffumwandlung) Mechanische Verfahrenstechnik: physikalische oder physikalisch-chemische Stoffeigenschaften der Feststoffpartikel, Tropfen, Blasen ( 10 nm... 1 m) statistisch verteilte Stoffeigenschaftsfunktionen (hauptsächlich partikelgrößenabhängig) Stoffwandlung durch mechanische Einwirkung (Energie) Zerteilen (Zerkleinern), dispergieren und Agglomerieren Trennen und Mischen Gesetze der Mechanik (Physik) herrschen vor; stochastisch wirksame Prozessdynamik und Prozesserfolg Partikeltechnik oder Partikeltechnologie

12 Blockfließbild eines Stoffwandlungsverfahrens Bilanzgrenze für Stoff-, Energie-, Informations- und Kostenströme Rohstoffe Folie 0.12 Rohstoffe (R) Hilfsstoffe (H) Speicher (R) Speicher (H) Rohstoffaufbereitung Stoffumwandlung Stofftrennung Informationen Produkt A Produkt B Abfall Informationen Produktformulierung Speicher (A) Speicher (B) Speicher (Ab) Abfall Hauptprodukt Nebenprodukt Energie Hilfsstoffversorgung Hilfsstoffaufbereitung Energie Kosten Speicher (Ab) Recyclingverfahren (Wiederverwertung) Erlöse Grundlagen siehe: G. Gruhn, K. Hartmann, J. Kardos, R. Helfricht, L. Dietsch und W. Kauschus, Systemverfahrenstechnik, Dt. Verlag f. Grundstoffindustrie, Leipzig 1976

13 Folie 0.13 Übersicht über wesentliche Prozesse der Aufbereitungstechnik und Partikeltechnik Skizze des Wirkprinzips Prozess Zugeordnete Prozesse Physikalisches Wirkprinzip Zerteilen Zerkleinern von Festkörpern (irreversibel) Dispergieren schwach gebundener Agglomerate (reversibel) Klassieren Trennung nach Partikelgrößen Siebklassieren nach geometrische Abmessungen Stromklassieren nach Sinkgeschwindigkeit Sortieren Trennen nach physikalischen Stoffeigenschaften und Anreichern Dichtesortierung nach Dichte Klauben optische Eigenschaften Mechan. Sortieren mechan. Eigenschaften (Elastizität) Magnetscheidung magnetische Eigenschaften Elektrosortierung nach Leitfähigkeit Flotation nach Benetzbarkeit Laugen Lösen flüssigkeitslöslicher Phasen Extrahieren Flüssig-Flüssig-Phasenübergang Kristallisieren Mischen Agglomerieren Kristallisieren Verdampfen der Flüssigkeit Fällen Erzeugung neuer unlöslicher fester Phase Vereinigen verschiedener Partikelphasen Feststoffmischen Fest-Fest-Vermischen Vergleichmäßigen zeitlich konst. Eigenschaften Suspendieren Fest in Flüssigkeit Begasen Gas in Flüssigkeit Anlagern vieler Primärpartikel zu wenigen gröberen Agglomeraten (Klumpen) Pelletieren Feuchtagglomeration Pressagglomerieren unter Pressdruck (Tablettieren) Sintern Anschmelzen d. Kontakte Koagulieren Flüssig-flüssig

14 Folie 0.14 Fest- Flüssig- Trennung Staubabtrennung Eindicken aller Partikel, Klären der Flüssigkeit Sedimentieren Absetzen Filtrieren Zurückhalten der Partikel Trocknen Verdampfen d. Flüssigkeit Abtrennen aller Partikel aus dem Trägergas Absaugen von Emissionsquellen Abscheiden aller Partikel aus dem Trägergas Thermisch Behandeln Rösten Brennen Verbrennen Austreiben flüchtiger Phasen Chemische Reaktionen im Feststoff (z.b. Kalkgewinnung) Vergasen organischer Phasen

15 Folie 0.15

16 Folie 0.16 Multiskalige hierarchische Ordnung in der stoffwandelnden Wirtschaft Stoffwandlung Erläuterung Skale, Aus- grundlegende Wirkprinzipien, Effekte, Gesetze physikalischer Grundvorgang in molekular- u. kolloiddispersen Bereichen, Transportgesetze, Nanopartikelwechselwirkungen und -bindungen Teilprozess (Makro-) Prozess (Grundoperation) Prozessgruppe Verfahrensstufe (-schritt) Verfahren Verfahrenszug (-kette) Anlagenkomplex stoffwirtschaftlicher Betrieb Stoffverbundsystem Mikroprozess Stoffwandlung im typisch mikroskopisch kleinstem Substanzelement, feindispers typische Stoffwandlung u. Transport in makroskop. Teilräumen u. Zonen, Stoffwandlung im makroskopischen Prozessraum einer Prozesseinheit rüstung nm-bereich Kontaktzone von Arbeitsorganen Maschinen- & App.zonen Maschine Apparat App. u. Masch.gruppe Teilanlage Anlage einfache Verschaltung von Prozessen (Reihen-, Parallel- u. Kreislaufschaltung, bis etwa 10 Prozesse) teilweise selbständige Durchführung einer charakteristischen Stoffwandlung im System (bis etwa 50 Prozesse) selbständig betreibbares System zur Produktion von Haupt-u. Nebenprodukten, Abfällen; mit Rohstoff- u. Produktlagerung, Energie- u. Hilfsstoffversorgung (bis ca. 300 Prozesse) einfache Verschaltung von Verfahren (Produktionslinie, vertikale Verkettung Rohstoff-Endprodukt, regional verteilt) Schaltung von Verfahren, horizontale u. vertikale Verschaltung, Ortsprinzip internationales Werks- u. Stoffverbundsystem verschied. Erzeuger; integrierte Verteilung, Verbrauch, Recycling Werk, -system Werksverbund Beispiele diffusiver u. konvektiver Partikeltransport, Auf- u. Abbau von Wechselwirkungen, Partikelzerkleinerung, Partikelagglomeration Aufgabezone, Produktaustragzone Mühle, Mischer, Rührmaschine, Siebmaschine, Zyklon, Filter, Zentrifuge Mahlkreislauf, Klassierstufen, Rührkesselkaskade Rohstoff- u. Abfallaufbereitung, Abwasserreinigung, Heizwerk, Getreidemühle, Brauerei, Großbäckerei, komplexe Recyclinganlage Erdöl Raffination Äthylen PE PE-Folie Chemiebetrieb, Großkraftwerk Erdöl Raffination Endproduktverbundsystem

17 Folie 0.17

18 Folie 0.18

19 Allgemeines Prozessmodell der Mechanischen Verfahrenstechnik 1. Allgemeine Formulierung der Mengenbilanz einer Stoffkomponente: Folie 0.19 Akkumulation = Eingangsströme - Ausgangsströme + Quellen - Senken (1) Folgende physikalische Grundvorgänge sind zu berücksichtigen: gerichteter Stofftransport (Konvektion) ungerichteter Stofftransport (Diffusion) Quellen und Senken: entsprechen dem Auf- und Abbau von Wechselwirkungen zwischen Partikeln, Molekülen, Ionen oder Atomen Chemische Reaktionen: Auf- und Abbau starker Wechselwirkungen (= Hauptvalenzbindungen: kovalent, ionisch, metallisch), z.b.: Synthese- und Zerfallsreaktionen, Zerkleinern, Kristallisieren und Auflösen; Auf- und Abbau schwacher Wechselwirkungen (= Nebenvalenzbindungen: Wasserstoffbrücken-, Van-der-Waals- oder elektrostatische Bindungen), z.b.: Erstarren und Schmelzen, Kondensieren und Verdampfen, Adsorbieren und Desorbieren, Koaleszieren und Dispergieren, Agglomerieren und Desintegrieren. 2. Diskrete mathematische Formulierung der Mengenbilanz in der Mengenart Masse oder Anzahl einer Partikelgrößen- oder Eigenschaftsklasse i: b t b i b t v i i i div b i vi div D i grad b i Gi Massenkonzentration aller Partikel (= Schüttgutdichte) im betrachteten Volumenelement dv, Feststoffmassenkonzentration in einer Suspensionen c s = m s /dv Massenanteil (= Q 3 (d i )) der i-ten Klasse im betrachteten Volumenelement dv Akkumulation (Speicherung) der i-ten Klasse im Volumenelement dv Geschwindigkeit der Partikel der i-ten Klasse aufgrund eines äußeren Kraftfeldes oder Potentialgefälles b i v i konvektiver (gerichteter) Massenstrom der i-ten Klasse durch das Volumenelement dv=dx. dy. dz D i Diffusionskoeffizient der i-ten Größen- oder Eigenschaftsklasse Di grad( b i) diffusiver (ungerichteter) Massenstrom der i-ten Klasse durch das Volumenelement dv G i. i j Partikelwechselwirkungsterm = Stoffumwandlungsgeschwindigkeit zeitliche Änderung der Massenanteile der i-ten und j-ten Klassen im betrachteten Volumenelement dv durch Aufbau von Partikelwechselwirkungen (Agglomerieren Kinetik 2. Ordnung) oder Zerstörung von Partikelwechselwirkungen (Zerteilen: Zerkleinern und Desintegrieren Kinetik 1. Ordnung: G i i ) (2)

20 Folie 0.20 Symbolverzeichnis a nm Abstand, Partikeloberflächenabstand (mikroskopisch) a m/s 2 Beschleunigung (acceleration) A m 2 Fläche (area), Apparatefläche Ar - ARCHIMEDES-Zahl b mm charakt. Breite eines Volumenelementes (Substanzgebietes) b mm Teilprozeßraumbreite, Öffnungs-, Zonenweite (mesoskopisch) B - Bestimmheitsmaß B m Prozeßraumbreite (makroskopisch) B Vs/m 2 magnetische Induktion Bo - BODENSTEIN-Zahl c - Konstante, Beiwert c g/l Massekonzentration c mol/l Molkonzentration c n l -1 Partikelanzahlkonzentration C As/V elektrische Ladungskapazität d µm Partikelgröße (Partikelgröße, diameter) d mm charakt. Durchmesser eines Volumenelementes (mesoskopisch) d mm Teilprozeßraumdurchmesser, Öffnungsdurchmesser, Zonendurchmesser d p m Porengröße D m Prozeßraumdurchmesser (makroskopisch) D m 2 /s Diffusionskoeffizient e As Elementarladung E N/mm 2 Elastizitätsmodul E V/m elektrische Feldstärke E Nm Energie Eu - EULER-Zahl f - Funktion f s -1 Frequenz ff - Fließfaktor ff c - Fließfunktion F N Kraft Fr - FROUDE-Zahl g m/s 2 Erdbeschleunigung G N/mm 2 Gleitmodul h mm charakt. Höhe eines Volumenelementes (mesoskopisch) h mm Teilprozeßraumhöhe, Zonenhöhe (mesoskopisch) H m Prozeßraumhöhe (makroskopisch) H A/m magnetische Feldstärke I A elektrischer Strom k - Konstante, Koordinationszahl k s -1 Stoffumwandlungs-Geschwindigkeitskonstante k kg/(m 2 *s) molekul. Stofftransportkoeffizient (Durchgang) l mm charakt. Länge eines Volumenelementes (mesoskopisch) l mm Teilprozeßraumlänge, Zonenlänge (mesoskopisch) L m Prozeßraumlänge (makroskopisch) Lj - LJASC ENKO-Zahl m kg Masse m kg/h Massenstrom M Nm Moment M g/mol Molmasse n - Exponent,

21 Folie 0.21 n - Kompressibilitätsindex n - Partikelanzahl, Molzahl n min -1 Drehzahl N - Partikelgesamtanzahl p kpa Druck (pressure) P kw Leistung (power) P - Wahrscheinlichkeit (probability) q m -1 Verteilungsdichtefunktion (z.b. dq/d(d)) Q - Verteilungsfunktion (quantil) Q As elektrische Ladung Q J/s Wärmestrom r xy - Korrelationskoeffizient r mm charakt. Radius eines Volumenelementes (mesoskopisch) r mm Teilprozeßraumradius, Öffnungs-, Zonenradius (mesoskopisch) R m Prozeßraumradius (makroskopisch) R kj/(kmol*k) allgemeine Gaskonstante R V/A elektrischer Widerstand (resistance) Re - REYNOLDS-Zahl R m - Masseausbringen s - Standardabweichung s mm Weg, Filmdicke, Wandstärke (mesoskopisch) s 2 - Varianz S - Poren(volumen-)sättigungsgrad S kg/(m 2 *h) flächenbezogener Feststoffmassestrom Sc - SCHMIDT-Zahl t s Zeit T - Trennfunktion (Fraktionstrenngrad) T K Temperatur T s Zeitkonstante Tu - Turbulenzgrad u m/s Fluidgeschwindigkeit U m Prozeßraum- o. Teilraumumfang U V elektrische Spannung v m/s Partikelgeschwindigkeit V m 3 Prozeßraum- o. Teilraumvolumen (meso- und makroskopisch) V m 3 /h Volumenstrom w mm Maschenweite W - Wahrscheinlichkeit W kwh Arbeit (work) We - WEBER-Zahl x - unabhängige Variable x,y,z - räumliche Koordinaten dx, dy, dz mm Abmessungen eines inkrementellen Volumenelementes X - Masseverhältnis, Beladung y - abhängige Variable - Irrtumswahrscheinlichkeit grd Gleitwinkel, Benetzungswinkel, Winkel m -2 Filtermittelwiderstand grd Winkel m -1 spezifischer Filterkuchenwiderstand kg/(s * m 2 ) molekularer Stofftransportkoeffizient grd Winkel - Porosität, Dehnung

22 Folie 0.22 W/kg Dissipationsrate, (Energie-)dissipation 0 As/(V * m) elektrische Feldkonstante (Influenzkonstante) r - Dielektrizitätskonstante - Feststoffvolumenanteil - Partialdruckverhältnis grd Reibungswinkel, Winkel s -1 Winkelgeschwindigkeit - Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion - Verschiebung grd Winkel s -1 Schergeschwindigkeitsgradient Pa * s dynamische (Fluid-) Viskosität - Trennschärfe - Haftkraftanstieg, Exponent s - Partikelstreuung (Trennschärfekennwert) V - (volumenbezogene) magnetische Suszeptibilität m m 3 /kg massebezogene magnetische Suszeptibilität - Parameter, Beiwert - Horizontaldruckverhältnis m Mikromaßstab der Turbulenz mm Makromaßstab der Turbulenz - Masseanteil - Reibungskoeefizient 0 N/A 2 magnetische Feldkonstante (Induktionskonst.) r - magnetische Permeabilität - Sicherheitsbeiwert, stöchiometrischer Faktor m 2 /s kinematische (Fluid-) Viskosität C Temperatur grd Randwinkel grd Prozeßraumneigungswinkel kg/m 3 Dichte - Standardabweichung kpa Normalspannung J/m 2 Grenzflächenergie (-spannung) 2 - Varianz c kpa einaxiale Druckfestigkeit F kpa Materialzugfestigkeit (Fließgrenze) 1, 2 kpa größte und kleinste Hauptspannung Z kpa dreiachsige Zugfestigkeit kpa Scherspannung c kpa Kohäsion 0 kpa Fließgrenze s -1 Kreisfrequenz - -Zahl mv Zeta-Potential - Partikelmerkmalsgröße, Variable - Partikelformfaktor mv elektrisches Doppelschichtpotential Indizes

23 Folie 0.23 a außen, Unterlauf (apex) A Aufgabe, Ausgang, flächebezogen b Schüttgut (bulk) B Boden, Blase c Druck (compressive), kritisch C COULOMB... d Auslauf (discharge), Ausgang D Druck, Diffusion, Dampf, Düse e effektiv (wirksam), elastisch E Einlauf, Eingang, Entleeren f fluid F Füllen, Feingut, Filter, Filtrat g gasförmig (gaseous), Grenze G Grobgut, Gewicht ges gesamt h horizontal, homogen, hydraulisch H Haft..., Hauptausführung, Homogenisierung i Laufindex Größenklasse, innerer j Laufindex Dichteklasse k Laufindex Stoffkomponente, kontinuierliche Phase krit kritisch K kapillar, Kugel, Kernfluß l liquid ln logarithmisch L Leichtgut, Lager, Luft m massebezogen, mittel M Mischung, Massefluß, Mittelpunkt, Modell, magnetisch max Maximum min Minimum n Anzahl, Normalzustand N Normal... 0 unbelastet, Anfangszustand o oberer, Oberlauf p Partikel pl plastisch P Pore, Packung, Probe, Leistung r Mengenart, Rauhigkeit R Ring, Radius, Rand s Feststoff (solid), stationär st stationär S Oberfläche (surface), Suspension, Schwergut, Scher... ST SAUTER... t Zeit..., zeitabhängig, turbulent T Trenn..., tangential, Trägheit, Tensid Tr Trübe v vertikal, viskos V volumenbezogen w Wand..., Widerstand W Wasser x x-achse y y-achse z zentrifugal, Zirkulation, z-achse zul zulässig Z Zug, Zone, Zelle, Zerkleinerung

24 Folie 0.24 porenvolumenbezogen beeinflußt durch Feststoffvolumenanteil 0 Anzahl als Mengenart (von l 0 ) 1 Länge als Mengenart (von l 1 ) 2 Fläche als Mengenart (von l 2 ) 3 Volumen bzw. die Masse als Mengenart (von l 3 )

25 Folie 0.25

26 Folie 0.26

27 Folie 0.27

28 Blockfließbild der Eisenerzaufbereitung und -verhüttung nach dem Rennverfahren - Vorharzgebiet, 1. Jahrhundert u. Z. Folie 0.28 Abbau des Raseneisenerzes O F E N B A U Holz fällen, transportieren, spalten und trocknen Pochen, Waschen, Schneiden und Trocknen T R O C K N U N G V O R H E I Z U N G Holzmeiler brennen & Holzkohle pochen Abscheiden der Schlacke Pochen d. Schlacke zur Gewinnung der Eisengranalien R E N N P R O Z E S S A U S B R I N G E N D E R R O H L U P P E N Granalien A U S H E I Z U N G S C H M I E D E N V E R S C H W E I S S E N Anlegen von Ausheizherden Zubereitung von Schweißpulver B A R R E N oder G E R Ä T S C H A F T E N in: Herrmann, J. u. a., Deutsche Geschichte, Bd 1, Deutscher Verlag der Wissenschaft, Berlin 1982