Josef Draxler Matthäus Siebenhofer. Verfahrenstechnik. in Beispielen. Problemstellungen, Lösungsansätze, Rechenwege.

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1 Josef Draxler Matthäus Siebenhofer Verfahrenstechnik in Beispielen Problemstellungen, Lösungsansätze, Rechenwege ^ Springer Vieweg

2 Inhaltsverzeichnis VII INHALTSVERZEICHNIS 1. Einleitung Konzentrationsmaße Signifikante Stellen Beispiele 5 2. Thermodynamik I: Grundbegriffe Allgemeines Energieerhaltung und Energieumwandlung Erster Hauptsatz für geschlossene Systeme Erster Hauptsatz für offene Systeme Energieformen und ihre Berechnung Zweiter Hauptsatz Zusammenstellung der Berechnungsmöglichkeiten für die Enthalpie und Entropie Gleichgewichtszustände Zustandsgieichungen Phasengleichgewichte Reaktionsgleichgewichte Beispiele Grundlagen Wärme-, Stoff- und Impulstransport Einleitung: Mechanismus Transportgrößen Konduktive Transportvorgänge Instationäre Transportvorgänge Transportkoeffizienten (Leitwerte) und Ausgleichskoeffizienten Einseitige Diffusion Nicht äquimolare Diffusion Konvektive Transportvorgänge Laminare und turbulente Strömung, Pfropfenströmung Film-Theorie: Grenzschichten Analogie Wärme- und Stoffdurchgang Berechnung von Wärmeaustauschern Wärmestrahlung Beispiele Bilanzen Grundlagen Bilanzgrößen Bilanzgebiet Allgemeine Bilanzgleichungen Stoffbilanzen Transportterme Speicherterm Generationsterm Bilanzgleichungen 103

3 VIII Inhaltsverzeichnis Atombilanzen Energiebilanzen Impulsbilanzen Berücksichtigung von Feldgrößen Entropiebilanzen III Exergiebilanzen Zusammenstellung der integralen Bilanzgleichungen Anlagenbilanzen Freiheitsgradanalyse Lösen des Gleichungssystems Beispiele Stoffbilanzen Energiebilanzen Impulsbilanzen Entropie- und Exergiebilanzen Anlagenbilanzen Druckverlust Druckverlust in Rohrleitungen Gerade Leitungsabschnitte Gekrümmte Leitungsabschnitte Rohrleitungseinbauten Anlagendruckverlust Offene Kanäle Druckverlust bei der Durchströmung von Haufwerken Kuchenfiltration Tiefenfiltration Fließbett/Wirbelschicht Druckverlust in Stoffaustauschkolonnen Druckverlust in Benetzungskolonnen Druckverlust an Kolonnenböden Zyklon Beispiele Partikelgrößen und PartikelgrößenVerteilungen Partikeleigenschaften Partikelgröße Partikelform Partikelverteilungen Trennen von Partikeln Begriffe und Definitionen Beispiele Partikeltrennverfahren Sedimentation Stationäre Sedimentation kugelförmiger Einzelpartikel Stationäre Sinkgeschwindigkeit von nicht kugelförmigen Partikeln und Partikelschwärmen Auslegung Sedimentationsbecken Instationäre Sedimentation 263

4 . Strömungsrohr Inhaltsverzeichnis IX 7.2. Partikelabscheidung im Zyklon Beispiele: Thermische Trennverfahren Einstufige Trennoperationen Theoretische Stufe Gleichgewichtsgesetze für physikalisch wirkende Trennverfahren Trennverfahren mit chemischer Reaktion Beispiele zu einstufigen Trennoperationen Mehrstufige Gegenstromoperationen Beispiele zu mehrstufigen Trennoperationen Wässrige Lösungen ideal verdünnte Lösungen Ionenprodukt Wasser Säuren und Basen, ph-wert Berechnungen Lösungs- und Fällungsreaktionen, Komplexbildung Gase Berücksichtigung von Aktivitätskoeffizienten Allgemeines Arten von Aktivitätskoeffizienten Die Debye-Hückel Theorie Erweiterung der Debye-HUckel-Theorie ohne Berücksichtigung von Nahwirkungen Erweiterung der Debye-Hückel-Theorie mit Berücksichtigung von Nahwirkungen Elektrochemie Beispiele: Chemische Kinetik Bestimmung von Reaktionsordnungen irreversible Reaktion A -» Produkte ' irreversible Reaktion a A + b B -» Produkte reversible Reaktion a A + b B <-> cc + dd irreversible Parallelreaktionen irreversible Folgereaktionen Reaktionsgeschwindigkeitskonstante Enzymkinetik Beispiele Reaktionstechnik Begriffe und Definitionen Bilanzgleichungen für isotherme ideale Reaktoren Diskontinuierlicher Rührkessel Kontinuierlicher Rührkessel (krk) Ideales Strömungsrohr Schlaufenreaktor, Kreislaufreaktor Rührkesselkaskade und Rührkessel Gleichungen bei Änderung des Reaktionsvolumens Verweilzeitverteilung in idealen Reaktoren Kenngrößen der Verweilzeitverteilungen 358

5 X Inhaltsverzeichnis Idealer Rührkessel Ideales Strömungsrohr Ideale Rührkesselkaskade Laminar durchströmtes Rohr Reale Reaktoren Segregationsmodell, Null-Parameter-Modell Ein-parametrige Modelle Zwei-parametrige Modelle Bilanzierung adiabater idealer Reaktoren Diskontinuierlicher Rührkessel Ideales Strömungsrohr Idealer Rührkessel Heterogen katalysierte Reaktionen Reaktionen an festen Katalysatoren Diffusion mit Reaktion Gas-Flüssig-Reaktionen Beispiele Thermodynamik II Zustandsgieichungen Reinphasen (eine Phase, eine Komponente) Anwendungen eine Komponente, zwei Phasen Mehrere Komponenten in einer Phase Mischungsgröße Am Partielle molare Größen Exzessgrößen Mehrere Komponenten in zwei Phasen Berechnung des unsymmetrischen Aktivitätskoeffizienten Berechnung des symmetrischen Aktivitätskoeffizienten Beispiele Wärme-, Stofftransport II Stationäre, eindimensionale Wärmeleitung, Stationäre, zweidimensionale Wärmeleitung Instationäre, eindimensionale Wärmeleitung endlich dicke Körper unendlich dicke Körper Numerische Lösungen der Wärmetransportgleichungen Stationäre Wärmeleitung Instationäre Wärmeleitung Beispiele: Thermische Trennverfahren II Berechnung der Kolonnenhöhe mit dem Stoffaustauschkonzept Stoffaustausch mit chemischer Reaktion Siede- und Taupunktberechnung Eine Komponente in Flüssig- und Dampfphase Eine Komponente in Flüssigphase, zwei Komponenten in Gasphase Zwei Komponenten in Flüssigphase, eine in Dampfphase 459

6 Inhaltsverzeichnis XI Zwei oder mehr Komponenten in Flüssig- und Gasphase Zwei Komponenten, Gasphase und zwei flüssige Phasen Drei Komponenten, eine Gasphase und zwei flüssige Phasen Diskontinuierliche Destillation Vereinfachte Gleichgewichtsdarstellung bei der Destillation Einstufige diskontinuierliche Destillation Mehrstufige diskontinuierliche Destillation Kontinuierliche Destillation Berechnung der Stufenzahl ohne Wärmebilanz Berechnung der Stufenzahl mit Wärmebilanz Berechnung mit dem Wang-Henke-Verfahren Trocknung Beispiele Beispiele zur Absorption Beispiele Destillation Beispiele Adsorption Beispiele Extraktion Beispiele Trocknung Anhang Beispielverzeichnis Stoffdaten Dimensionslose Kennzahlen Stoffübergangs-Beziehungen Stoffübertragung an feste Grenzflächen Durchströmte Rohre Durchströmte Haufwerke Stoffübertragung an fluide Grenzflächen Absorption an Füllkörpern Absorption an Rieselfilmen in Rohren Absorption in Sprühtürmen Auflösen und Kristallisieren in Rührkesseln Symbolverzeichnis Literaturverzeichnis Sachverzeichnis