Thermische Trennverfahren

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2 Klaus Sattler Thermische Trennverfahren WILEY-VCH Thermische Trenn verfahren: Grundlagen, Auslegung, Apparate, Dritte Auflage. Klaus Sattler Copyright 2001 WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim ISBN:

3 Klaus Sattler Thermische Trennverfahren WILEY-VCH Thermische Trenn verfahren: Grundlagen, Auslegung, Apparate, Dritte Auflage. Klaus Sattler Copyright 2001 WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim ISBN:

4 Klaus Sattler Thermische Trennverfahren WILEY-VCH Thermische Trenn verfahren: Grundlagen, Auslegung, Apparate, Dritte Auflage. Klaus Sattler Copyright 2001 WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim ISBN:

5 Klaus Sattler Thermische Trennverfahren Grundlagen, Auslegung, Apparate Dritte, überarbeitete und erweiterte Auflage )WILEY-VCH Weinheim New York Chichester Brisbane Singapore Toronto

6 Professor Dipl. Ing. Klaus Sattler Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung University of Applied Sciences Windeckstraße Mannheim Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autor und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung. 1. Auflage überarbeitete und erweiterte Auflage überarbeitete und erweiterte Auflage 2001 Umschlagsphoto: Die Salpetersäure-Anlagen sind ausgerüstet mit einer katalytischen Abgasreinigung zur Reduzierung der Stickoxiden. Foto BASF AG, Ludwigshafen. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei Die Deutsche Bibliothek erhältlich ISBN WILEY-VCH Verlag GmbH, D Weinheim (Federal Republik of Germany) Gedruckt auf säurefreiem Papier. Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form - durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren - reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form - by photoprinting, microfilm, or any other means - nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publishers. Registered names, trademarks, etc. used in this book, even when not specifically marked äs such, are not to be considered unprotected by law. Satz: Mitterweger & Partner, Plankstadt Druck: Strauss Offsetdruck GmbH, Mörlenbach Bindung: Wilhelm Osswald & Co, Neustadt Printed in the Federal Republik of Germany

7 Vorwort zur dritten Auflage Nachdem die bisherigen Auflagen der Thermischen Trennverfahren" und der Thermal Separation Processes" in der Praxis und im Hochschulbereich sehr positiv aufgenommen wurden, liegt jetzt wieder eine überarbeitete, aktualisierte und erweiterte Neuauflage vor. Die bewährte Art der ballastfreien Darstellung mit besonderem Bezug zur Anwendungspraxis und mit vielen aussagekräftigen Abbildungen und Tabellen der vorherigen Auflagen wurde beibehalten. Auch in der vorliegenden Neuauflage ergänzen Beispiele ausgeführter Anlagen der Praxis mit zugehörigen typischen Betriebsdaten die dargestellten Auslegungsroutinen und verdeutlichen die Anwendung der Trennverfahren auch in ihrem modernen Verbund. Auch auf neueste Verfahrensvarianten und Bauformen wird in Fließbildern und Apparateskizzen hingewiesen. Wie im Vorwort zu den bisherigen Auflagen schon erwähnt, war es in Anbetracht der Stoff fülle nicht möglich, auch noch durchgerechnete Übungs- und Dimensionierungsbeispiele aufzunehmen. Eine Überarbeitung meines Buches Thermische Trennverfahren. Aufgaben und Lösungen, Auslegungsbeispiele" ist geplant. Mein Dank gilt wieder, wie bei den vorherigen Auflagen, jenen Autoren, Firmen und Instituten, die mich mit ausgezeichnetem Bildund Informationsmaterial unterstützten. Die WILEY-VCH Verlag GmbH sorgte wieder in bewährter Weise für eine ausgezeichnete Ausstattung der vorliegenden Neuauflage. Mein Dank gilt hier insbesondere Frau Karin Sora vom Lektorat und Herrn Hans Jörg Maier mit seinem Herstellungsteam. Brühl, im Frühjahr 2001 Klaus Sattler

8 Vorwort zur zweiten Auflage Nachdem die erste Auflage der Thermischen Trenn verfahren" in der Praxis und im Hochschulbereich - inzwischen auch in englischer Übersetzung - eine ausgezeichnete Aufnahme fand, liegt jetzt eine überarbeitete, aktualisierte und erheblich erweiterte Neuauflage vor. Bei der Überarbeitung wurde die bewährte Art der ballastfreien Darstellung mit vielen informativen Abbildungen und Tabellen beibehalten. Weitere, ergänzte Beispiele ausgeführter Anlagen mit zugeordneten Betriebsdaten verdeutlichen die praktische Anwendung der thermischen Trennverfahren auch in ihrem Verbund und unterstreichen den betonten Praxisbezug des Buches. Es war, wie im Vorwort zur ersten Auflage schon erwähnt, in Anbetracht der Stoffülle nicht möglich, durchgerechnete Übungs- und Dimensionierungsbeispiele aufzunehmen. Ein Nachdruck meines Buches Thermische Trennverfahren. Aufgaben und Lösungen, Auslegungsbeispiele" kann über mich bezogen werden. Eine Überarbeitung ist geplant. Mein Dank gilt jenen Autoren, Firmen und Instituten, die ausgezeichnetes Bild- und Informationsmaterial der Anwendungspraxis zur Verfügung stellten. Die VCH-Verlagsgesellschaft sorgte in bewährter Weise für eine ausgezeichnete Ausstattung der Neuauflage. Mein Dank gilt hier insbesondere Frau Karin Sora vom Lektorat, Frau Claudia Grössl und dem Herstellungsteam. Brühl, im Herbst 1995 Klaus Sattler

9 Vorwort zur ersten Auflage Bei der Herstellung von Produkten und Verbrauchsgütern in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, der Raffinerietechnik und petrochemischen Industrie, der Gas- und Brennstoff technik, der Grundstoffindustrie und der Lebensmitteltechnik etc. spielen physikalische Grundoperationen zur thermischen Zerlegung von Gemischen eine besonders wichtige Rolle. Gemessen an der Bedeutung der thermischen Trenntechnik gibt es zu wenige kurzgefaßte und praxisorientierte Gesamtdarstellungen der thermischen Trennverfahren im deutschen Sprachbereich, und auch diese beschreiben nur die Verfahren. Das vorliegende Buch als völlig überarbeitete, ergänzte und aktualisierte Neuauflage einer im Vorlesungsbereich und im Rahmen von Weiterbildungsveranstaltungen beim Haus der Technik in Essen und bei der Technischen Akademie Esslingen bewährten Erstauflage soll helfen, diese Lücke zu schließen. Das Buch wendet sich an Studierende des Chemieingenieurwesens und der Verfahrenstechnik, der Lebensmitteltechnik, der Biotechnologie und des Umweltschutzes, des Maschinenbaus, der Chemie und der Physik. Es soll aber auch den Ingenieur der genannten Fachrichtungen, den Chemiker und Physiker in der Praxis ansprechen. Ein umfangreiches Einführungskapitel verdeutlicht die physikalischen und physikalischchemischen Gesetzmäßigkeiten und Prinzipien, die allen thermischen Trennverfahren gemeinsam zugrunde liegen. Erst dann folgt die textlich geraffte, mit vielen erläuternden Abbildungen und Tabellen durchsetzte, sehr praxisorientierte verfahrensspezifische Darstellung von Verfahrensweise, Auslegungsprinzipien und apparativer Realisierung. Zahlreiche Hinweise auf spezielle Literatur z.b. über bestimmten Dimensionierungskonzepten zugrunde liegende Modellvorstellungen, apparative Besonderheiten etc. verhelfen zu einer weitergehenden, umfassenderen Information. Ein breiter Leserkreis soll durch diese Art der Darstellung zur Verfahrens- und Apparateauswahl und zur Dimensionierung von Einrichtungen zur thermischen Gemischzerlegung befähigt werden. Dabei werden nur jene mathematischen und physikalischchemischen Vorkenntnisse vorausgesetzt, die in den ersten Studiensemestern vermittelt werden. Da die Verflechtung mit dem angelsächsischen Sprachraum im Bereich der Verfahrenstechnik besonders eng ist, sollen deutsch-englische Stichworte und Bildunterschriften dem Leser englische Spezialausdrücke der thermischen Trenntechnik nahebringen. Mein Dank gebührt Herrn Dr. Ebel vom Verlagslektorat, der meinen Vorstellungen von der Konzeption des Buches und von der manchmal etwas unüblichen Gestaltung der Tabellen und Abbildungen wohlwollendes Verständnis entgegenbrachte. Mein Dank gebührt insbesondere auch Frau Jacob, die mit Sachverstand und Sorgfalt die Durchsicht des Manuskripts übernahm und mit wertvollen Anregungen die Fertigung erleichterte. Mein Dank gilt auch Frau Littmann, die die Herstellung des Buches mit Sorgfalt organisierte und überwachte, sowie allen an der Herstellung Beteiligten. Angesichts der großen Stoffülle und des beschränkten Umfangs war es nicht möglich, durchgerechnete Auslegungsbeispiele aufzunehmen. Ich verweise hierzu auf mein nebenstehend zitiertes Buch, das wichtige Dimensionierungskonzepte für alle thermischen Trennverfahren beschreibt. Das Buch ist in-

10 VIII Vorwort zur ersten Auflage SATTLER, K.: Thermische Trennverfahren. Aufga- ben und Lösungen, Auslegungsbeispiele. Vogel- Verlag, Würzburg 1979 zwischen vergriffen, kann aber als Nachdruck vom Verfasser bezogen werden. Brühl, im Frühjahr 1988 Klaus Sattler

11 Inhalt Häufig verwendete Formelzeichen XV l Grundlagen l 1.1 Übersicht über die thermischen Trennverfahren, Prinzipien l 1.2 Betriebsformen thermischer Trennverfahren Stoffbilanz, Energiebilanz, Exergiebilanz Stoff-, Energie- und Wärmebilanz Exergiebilanz Durchrechnung der Bilanzierungsgleichungen Phasengleichgewichte Allgemeine Begriffe Allgemeine Differentialgleichung für das Gleichgewicht zweier Phasen Gibbssches Phasengesetz (Phasenregel) Phasengleichgewicht Flüssigphase-Flüssigphase Nernstscher Verteilungssatz Darstellung des Phasengleichgewichts Flüssigphase-Flüssigphase Phasengleichgewicht Gasphase-Flüssigphase Einkomponentensysteme Zwei- und Mehrkomponentensysteme Henrysches Gesetz, Gaslöslichkeit Siedegleichgewicht von Feststofflösungen, Dampfdruckerniedrigung, Siedepunktserhöhung Phasengleichgewicht Gasphase-Festphase Phasengleichgewicht Gasphase-Festphase bei der Sublimation Phasengleichgewicht Gasphase-Festphase bei Adsorption/Desorption und konvektiver Feststofftrocknung (Adsorptionsgleichgewicht) Phasengleichgewicht Flüssigphase-Festphase Löslichkeit fester Stoffe in flüssigen Lösungsmitteln Schmelzdruckkurve Gefrierpunktserniedrigung Zustandsdiagramme binärer Systeme mit fester und flüssiger Gleichgewichtsphase Enthalpie des Phasenübergangs Trennfaktor, relative Flüchtigkeit Mindesttrennarbeit Grundzüge des Stofftransports 78

12 X Inhalt Stofftransport durch molekulare Diffusion Stationäre Diffusion Instationäre Diffusion Diffusionskoeffizient Stofftransport durch Konvektion Stoffdurchgang Zweifilmtheorie, Stoffdurchgangskoeffizient, Turbulenztheorien Stationäre Gleichstromoperationen Stationäre Gegenstromoperationen Theorie der Trennstufen Verfahren zur Bestimmung der Zahl der theoretischen Trennstufen von Gegenstromkolonnen Berechnung von Gegenstromkolonnen Mengenbilanzen Phasengleichgewichtsbeziehungen Enthalpiebilanzen Stöchiometrische Bedingungen für die Konzentrationssummen jeder Gleichgewichtsstufe Kinetische Theorie der Gegenstromgemischzerlegung Stofftransport in beiden Richtungen zwischen den Phasen Stofftransport in einer Richtung Stationäre Kreuzstromoperationen Allgemeine Vorgehensweise bei der Auslegung von Einrichtungen zur thermischen Trennung von Gemischen Destillation und Teilkondensation Erläuterung der Begriffe einfache Destillation, Rektifikation, Teilkondensation Diskontinuierlich und kontinuierlich betriebene einfache Destillation, Entspannungsdestillation Diskontinuierlich betriebene einfache Destillation Kontinuierlich betriebene einfache Destillation Wärmebedarf einfacher Destilliereinrichtungen Entspannungsdestillation Trägerdampfdestillation Destillation unter Vakuum. Molekulardestillation Gegenstromdestillation (Rektifikation) Verfahrensvarianten der Rektifikation Kontinuierlich betriebene Rektifikation in Rektifizierkolonnen mit Verstärkungsteil und Abtriebsteil Reine Abtriebskolonne Reine Verstärkungskolonne Trennwandkolonne 151

13 Inhalt XI Trägerdampfrektifikation Kombination verschiedener Varianten Rektifikation mit Hilfsstoff Heteroazeotroprektifikation Zweidruckverfahren Kombination der Rektifikation mit einem Membrantrennverfahren Diffusionsdestillation Rektifikation bei Überdruck-, Tieftemperatur-und Vakuumbetrieb Reaktivdestillation Kontinuierliche adiabate Rektifikation Mengenströme Wärmebedarf der Kolonne Maßnahmen zur Energieeinsparung Festlegung von Trennstufenzahl und wärme- und stoffaustauschender Kolonnenhöhe Mindestrücklaufverhältnis, wirtschaftlich optimales Rücklaufverhältnis Zulaufstufe Diskontinuierliche adiabate Rektifikation Kopfproduktmenge Wärmebedarf Blasendurchmesser, freie Dampf raumhöhe, Kolonnendurchmesser McCabe-Thiele-Verfahren zur Bestimmung der Zahl der theoretischen Trennstufen Halbkontinuierliche adiabate Rektifikation Festlegung des Kolonnendurchmessers Einbauten von Rektifizierkolonnen Kolonnenböden Regellos geschüttete Füllkörper, Packungen mit regelmäßiger Geometrie Auswahl, Optimierung und Regelung von Rektifizieranlagen Zubehör von Rektifizieranlagen Gleichstromdestillation Nichtadiabate Rektifikation Teükondensation Teilkondensation aus Dampfgemischen Teilkondensation von Dämpfen aus Abgasen Absorption Erläuterung der Begriffe Absorption und Desorption, Verfahrensweise, Verfahrensbeispiele Begriffserläuterung und Verfahrensweise Verfahrensbeispiele Anforderungen an das Wasch-bzw. Lösungsmittel, Lösungsmittelbedarf Enthalpie- bzw. Wärmebilanz 338

14 XII Inhalt 3.4 Absorption im Phasengleichstrom und im Phasenkreuzstrom Absorption im Phasengegenstrom, Auslegung von Gegenstromkolonnen Festlegung des Kolonnenquerschnitts Festlegung von Stufenzahl und von Stoff- und wärmeaustauschender Kolonnenhöhe Bauformen von Absorbern Regenerierung des Lösungsmittels, Desorption Adsorption Erläuterung der Begriffe Adsorption und Desorption, Verfahrensweise, Verfahrensbeispiele Begriffserklärung Verfahrensweise, Verfahrensbeispiele Adsorbentien, Adsorbensauswahl Adsorbentien Anforderungen an Adsorbentien, Adsorbensauswahl Technische Adsorbentien, Kenndaten von Adsorbentien Kinetik der Adsorption Varianten der Adsorption, Auslegung von Adsorbern Einstufige Adsorption im Behälteradsorber mit Adsorbensfestbett Mehrstufige Adsorption im Kreuzstrom von Abgeber- und Adsorbensphase Mehrstufige Adsorption im Gegenstrom Bauformen von Adsorbern Desorption, Regeneration beladener Adsorbentien Trocknung Erläuterung des Begriffs, Verfahrensweise, Verfahrensbeispiele Eigenschaften des feuchten Guts, Feuchte Wanderung Eigenschaften des feuchten Gases, h, X-Diagramm Wärme-und Stoff Übergang bei der Konvektionstrocknung Kinetik der Trocknung, Trocknungsverlauf, Trocknungsdauer Konvektionstrocknung Trockengas-und Wärmebedarf bei der Konvektionstrocknung Maßnahmen zur Energieeinsparung Varianten der Konvektionstrocknung Kontakttrocknung (konduktive Trocknung) Strahlungstrocknung Hochfrequenztrocknung Gefriertrocknung 473

15 Inhalt XIII 5.11 Bauformen von Trocknern Übersicht über die Trocknerbauformen, Auswahl, Auslegung Einzeldarstellung ausgewählter Trocknerbauformen mit Auslegungshinweisen Kammertrockner Kanaltrockner Bandtrockner Etagentrockner Trommeltrockner Wirbelschichttrockner Flugtrockner, Förderlufttrockner Zerstäubungstrockner Walzentrockner Dünnschichtverdampfer-Trockner (Vertikal- und Horizontaltrockner) Kontakt-Mengschichttrockner Kontakttrockner mit ständig durch Schwerkraft bewegtem Gut Regelung von Trocknern Extraktion Erläuterung des Begriffs und Verfahrensweise Flüssig-Flüssig-Extraktion Einsatzbereiche und Verfahrensbeispiele Anforderungen an das Lösungsmittel, Lösungsmittelauswahl Varianten der Flüssig-Flüssig-Extraktion Einfache einstufige Extraktion Differentielle absatzweise Extraktion Mehrstufige Kreuzstromextraktion A Mehrstufige Gegenstromextraktion Gegenstromextraktion mit Extraktrücklauf Gegenstromverteilung Bauformen von Extraktionsapparaten Mischer-Abscheider, Mischer-Abscheider-Batterie Gegenstromkolonnen ohne und mit Energiezufuhr Auswahl und Auslegung von Extraktionsapparaten Fest-Flüssig-Extraktion Hochdruckextraktion (Destraktion) Lösungseindampfung, Kristallisation Begriffserläuterung und Verfahrensweise bei der Kristallisation Kristallisation aus Lösungen Konzentrierung von Lösungen durch Eindampfung Einstufige Lösungseindampfung Mehrstufige Lösungseindampfung Lösungseindampfung unter Einbezug der mechanischen und thermischen Brüdenverdichtung Mehrstufige Entspannungsverdampfung 640

16 XIV Inhalt Bauformen von Verdampfern zur Eindampfung von Lösungen Bilanzierung von Kristallisatoren Kristallisatertrag Bei der Kristallisation zu- oder abzuführende Wärme Kristallisationskinetik, Kristallkeimbildung, Kristallwachstum Bauarten von Kristallisatoren für die Massenkristallisation aus Lösungen Hinweise zur Auswahl und Auslegung von Kristallisatoren Ausfrieren Fraktionierte Kristallisation aus Lösungen Kristallisation aus der Schmelze Kristallisation aus der Dampfphase, Sublimation und Desublimation Dokumentation und Vorausberechnung von Stoffwerten 677 Literaturverzeichnis 681 Register 683

17 Häufig verwendete Formelzeichen und zugehörige übliche Einheiten D D, D F F F,F F G, G G H HETS HTU K* L, L L c M N NTSM NTU Fläche (area) Querschnitt (cross section) Diffusionskoeffizient (diffusion coefficient) Dampfmasse, Dampfmenge, Dampfmassenstrom, Dampfmengenstrom (vapor, vapor flux) Stufenaustauschgrad, Verstärkungsverhältnis (stage efficiency) Kraft (force) Belastungsfaktor (loading factor) Mischungszulauf (feed) Freie innere Energie (free internal energy) Gasmasse, Gasmenge, Gasmassenstrom, Gasmengenstrom (gas, gas flux) Freie Enthalpie (free Enthalpie (enthalpy) enthalpy) Stufenäquivalente Höhe (height equivalent to one theoretical stage) Höhe einer Übergangseinheit (height of a transfer unit) Phasengleichgewichtskonstante (phase equilibrium - constant) Flüssigkeitsmasse, Flüssigkeitsmenge, Flüssigkeitsmassenstrom, Flüssigkeitsmengenstrom (liquid, liquid flux) Charakteristische Länge (characteristic lenght) Molare Masse (molar mass) Stufenzahl (number of stages) Zahl der theoretischen Trennstufen pro m Packungshöhe (number of theoretical stages per m height of packing) Zahl der Übergangseinheiten (number of transfer units) m m 2 m 2 /h kg, kmol, kg/h, kmol/h N m/s Vkg/m 3 = kg, kmol, kg/h, kmol/h kj kg, kmol, kg/h, kmol/h kj kj m m kg, kmol, kg/h, kmol/h m kg/kmol

18 XVI Formelzeichen Q, Q Wärme, Wärmestrom (heat, heatflux) R, R Rücklauf, Rücklaufstrom (reflux, reflux flow) R S T U Universelle Gaskonstante (gas constant) Entropie (entropy) Absolute Temperatur (absolute temperature) Innere Energie (infernal energy) V, V Volumen, Volumenstrom (volume, volume flux) V W X Y Z a a c c p, c p Molares Volumen (molar volume) Arbeit (work) Beladung, schwere Phase (concentration, heavy phase) Beladung, leichte Phase (concentration, light phase) Stoff- und wärmeaustauschende Apparatelänge bzw. -höhe (length, height) Aktivität (activity) Volumenspezifische Austauschfläche (specific area) Molare Konzentration (molar concentration) Spezifische Wärme (specific heat) c w Widerstandsbeiwert (resistance coefficient) d d p d s Durchmesser (diameter) Partikeldurchmesser (particle diameter) Sauter-Durchmesser (Sanier diameter) f Fugazität (fugacity) f, J Spezifische freie innere Energie (specific free infernal energy) g Erdbeschleunigung (gravitational acceleration) g, g Spezifische freie Enthalpie (specific free enthalpy) h, h Spezifische Enthalpie (specific enthalpy) Ah, Ah k k Latente Enthalpie (latent heat) Wärmedurchgangskoeffizient (overall heat transfer coefficient) Stoffdurchgangskoeffizient (overall mass transfer coefficient) m, m Masse, Massenstrom (mass, mass flux) kj, kj/h, W kg, kg/h, kmol, kmol/h kj/(kmol K) kj/k K kj m 3, m 3 /h mvkmol kj m m 2 /m 3 kmol/m 3 kj/(kg - K), kj/(kmol K) m m m bar kj/kg, kj/kmol m/s 2 kj/kg, kj/kmol kj/kg, kj/kmol kj/kg, kj/kmol W/(m 2 - K) m/h kg, kg/h

19 Formelzeichen XVII n, h Menge (Stoffmenge), Mengenstrom (number ofmoles, molar flux) p Gesamtdruck (total pressure) p i Partialdruck (partial pressure) /? 0? j Sattdampfdruck (saturated vapor pressure) Ap q q r r Druckverlust (pressure drop) Spezifischer Wärmebedarf (specific heat requirement) Heizflächenbelastung (specific heat flux) Radius (radius) Reaktionsgeschwindigkeit (reaction rate) s, s Spezifische Entropie (specific entropy) s t t m Transportweg (transfer distance) Zeit (time) Mittlere Verweilzeit (mean residence time) u, ü Spezifische innere Energie (specific internal energy) v w w x y z a Rücklaufverhältnis, Lösungsmittelverhältnis, Adsorbensverhältnis (reflux ratio, solvent ratio, adsorbend ratio) Geschwindigkeit (velocity) Massenanteil (mass fraction) Stoffmengenanteil, schwere Phase (molar fraction, heavy phase) Stoff mengenanteil, leichte Phase (molar fraction, light phase) Variable Apparatehöhe, -länge (variable height, length) Trennfaktor, relative Flüchtigkeit (Separation factor) a Wärmeübergangskoeffizient (heat transfer coefficient) ß Stoffübergangskoeffizient (mass transfer coefficient) Y Aktivitätskoeffizient (activity coefficient) 6 Schichtdicke (layer thickness) e TI Relatives freies Lückenvolumen (Porosität) (relativ free volume) Ausbeute (yield) kmol/h bar, Pa bar, Pa bar, Pa mbar, Pa kj/kg kj/(m 2 -h),w/m 2 m kmol/(m 3 h) kj/(kg - K), kj/(kmol K) m h h kj/kg, kj/kmol m/s m W/(m 2 K) m/h m

20 XVIII Formelzeichen r] Dynamische Viskosität (dynamic viscosity) Pa s # Temperatur (temperature) C H Steigungswinkel (slope angle) A Wärmeleitfähigkeit (heat conductivity) W/(m K) /i, ß Chemisches Potential (chemical potential) kj/kg, kj/kmol v Kinematische Viskosität (kinematic viscosity) m 2 /s Q Dichte (density) kg/m 3 a Oberflächen- bzw. Grenzflächenspannung N/m (surface tension) q) Relative Feuchte (relative humidity) - Indizes H Heizdampf (steam) T Träger (carrier) V Verlust (loss) g Gasphase (gas phase) i, j Komponente (component) l Flüssigphase (liquid phase) o Oberhalb (above), Oberfläche (surface) p Praktisch (effective) s Festphase (solid phase) t Theoretisch (theoretical) u Unterhalb (below) a Anfang, Eintritt, Start co Ende

21 l Grundlagen 1.1 Übersicht über die thermischen Trennverfahren, Prinzipien In einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage werden Produkte durch chemische und physikalische Umwandlungen von Rohstoffen und Zwischenprodukten hergestellt. Die Produktionsanlage stellt dabei eine in sich abgeschlossene technische Baueinheit dar, die nur über Transportwege und Transportleitungen für Personal, Rohstoffe, Hilfsstoffe, Produkte, Betriebsmittel und Energien über die Anlagengrenze hinaus mit dem übrigen Betrieb verbunden ist. Sie setzt sich, wie Abb. 1-1 zeigt, aus der Hauptanlage zur Durchführung des eigentlichen Produkterzeugungsverfahrens und verschiedenen Nebenanlagen zusammen. Die Hauptanlage besteht aus Anlagenteilen zur Durchführung chemischer Stoffumwandlungen (unit processes) und physikalischer Grundoperationen (unit operations) wie Trennen, Vereinigen, Zerteilen, Formgeben, Wärmeübertragen, Fördern, Lagern, Verpacken. Ihr verfahrensunabhängig allgemein gültiger Aufbau ist in Abb. 1-2 dargestellt. Das Charakteristische einer Anlage zur Erzeugung eines bestimmten Produkts ist die produktbezogene Kombination dieser Anlagenteile. Das Charakteristische eines Verfahrens zur Erzeugung eines bestimmten Produkts ist die produktbezogene Synthese aus Verfahrenseinheiten. Bei der chemischen Umwandlung der Rohstoffe fallen homogene und heterogene Gemische an (Abb. 1-2 und 1-3), die entsprechend dem eingestellten Umsatz der chemischen Reaktion im allgemeinen alle Reaktionsteilnehmer, also Rohstoffe und Reaktionsprodukte, enthalten. Diese Gemische müssen mit Hilfe von Trennverfahren aufbereitet, d.h. in die gewünschten Produkte und die rezirkulierbaren Rohstoffe mit der jeweils geforderten Reinheit zerlegt werden. Tab. 1-1 gibt einen Überblick über die Verfahren zur physikalischen Trennung homogener (einphasiger) und heterogener (zwei- oder mehrphasiger) Gemische. Einteilungsprinzip ist dabei die treibende Kraft des Trennvorgangs. Homogene Gemische mit molekulardisperser Verteilung der einzelnen Gemischkomponenten können meist nur mittels thermischer Trennverfahren zerlegt werden. Thermische Trennverfahren sind Stofftransportoperationen, molekulare Triebkraftprozesse. Bei ihnen werden Stoffe und meist auch Wärme zwischen mindestens zwei Phasen unterschiedlicher Zusammensetzung ausgetauscht. Diese Phasen sind Gemischphase(n) und selektive Zusatzphase. Die Zusatzphase wird entweder unter Energiezufuhr und/oder unter Zuhilfenahme eines Hilfsstoffs aufgebaut. Über die Zusatzphase werden auch die für den Stoff- und Wärmetransport notwendigen treibenden Kräfte", Konzentrationsgefälle und Temperatur gefalle, errichtet. In Abb. 1-4 sind die thermischen Trennverfahren aufgelistet und in Tab. 1-2 durch die am Stoffaustausch beteiligten Phasen gekennzeichnet. Die thermische Trennung von Gemischen läuft in folgenden Einzelschritten ab: Erster Schritt: zur ursprünglich allein vorhandenen Gemischphase(n) wird eine Zusatzphase errichtet. Hierzu muß Energie zugeführt werden oder ein Hilfsstoff zum Einsatz kommen. Thermische Trenn verfahren: Grundlagen, Auslegung, Apparate, Dritte Auflage. Klaus Sattler Copyright 2001 WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim ISBN:

22 l Grundlagen Betriebsmittel- Energien- Rohstoff e- Hilfsstoffe- Hauptanlage zur Durchführung des aus physikalischen und chemischen Verfahrenseinheiten bestehenden eigentlichen Verfahrens zur Erzeugung des gewünschten Produkts, Nebenanlagen, Hilfseinrichtungen -zur Regelung und Steuerung der Hauptanlage Meßwarte mit ggf. Prozeßrechner.Schaltwarte für die Antriebe, Betriebslaboratorium, Instrumentenluftstation -zur Versorgung der Hauptanlage mit Energien Erzeugung und Verteilung von elektrischer Energie.Heizsysteme für Wärmeträger wie Heißwasser. Dampf, Diphyl,Salzschmelzen -zur Bereitstellung von Hilfsstoffen wie Wärmeträger, Kühlmittel, Katalysatoren, Lösungsmittel, Inerten -zum Lagern der Roh- und H i lfsstoffe.de r Produkte,der Ersatzteile, der Reparatur- und Wartungsmaterialien -zum Heranführen der Roh-und Hilfsstoffe und zum Abtransport der Produkte (Fahrstraßen, Gleisanschlüsse.Hafeneinrichtungen) -zur Entsorgung Abgas-und Abwasserreinigung,Aufarbeitung fester Rückstände und ggf. Deponie nicht verwertbarer Reststoffe -Einrichtungen für das Betriebspersonal ^ Überschuß - energien > Hauptprodukt > Nebenprodukte» Sondermüll ^ Abgase Abwasser Abb Allgemeiner Aufbau einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage. T Betriebsmittel t Energien Hilfsstoffe Rohstoffe Aufbereitung der Rohstoffe zur Reaktion z. B. Zerkleinerung. Dosiermischung, Vorwärmung Reaktion mit Wärme-und Stoffaustausch Aufbereitung der Reaktionsprodukte z. B. Abkühlung «Trennung Vorbereitung des Hauptproduktes zur Lagerung bzw. zum Versand z.b. Formgebung.Dosierverpackung -M- Nebenprodukte Lager- und versandfähiges Hauptprodukt Rohstoff- bzw. Produkt weg Abb Grundfließbild des Hauptteils einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage ( Hauptanlage").

23 1.1 Übersicht über die thermischen Trennverfahren, Prinzipien 4 Aufbereitete Rohstoffe Reaktionsgemisch A ^ D l Rohstoff - [ Überschuß -C J >\ E * C } Reaktions- - E / Produkte ' Neben- erwünschtes Produkt D i i Produkt E Abb Reaktionsstufe und Aufbereitungsstufen für eine unvollständig ablaufende Reaktion des Typs Zweiter Schritt: zwischen diesen Phasen werden Stoffe und meist auch Wärme ausgetauscht. Dies geschieht eventuell unter Energiezu- oder -abfuhr. Dritter Schritt: die Phasen werden nach Abschluß der Austauschvorgänge getrennt. Mit dieser Phasentrennung ist dann auch eine (teilweise) Gemischtrennung verbunden. [Rektifikation f Teildestillation '(Gegenstromdestillation) Teitkondensation 'Gegenstrom-Kristallisation 'aus der Schmelze l Absorption, Extraktion ' igegenstrom - Sublimation i Adsorption l iflüssig-flüssig-extraktion ' Kristallisation aus Lösungen l lim Gegenstrom Trocknung Sublimation Desublimation j Dieser Ablauf ist allen thermischen Trennverfahren gemeinsam. Es liegt deshalb auf der Hand, daß gewisse, allen thermischen Trennverfahren gemeinsame Grundsätze, Prinzipien, formuliert werden können. Die wichtigsten hydrodynamischen und thermodynamischen Prinzipien sollen im folgenden behandelt werden. Phasenführung im Gleichstrom (Gleichstrom-Prinzip) Die am Stoff- und Wärmeaustausch beteiligten Phasen werden im Trennapparat im Gleichstrom geführt. Die Wirkung des Trennapparats kann dabei bestenfalls die einer einzigen theoretischen Stufe ausmachen. Absorption Adsorption Konvektionstrocknung Trägerdampfdestillation Extraktivdestillation Extraktion Trägergassublimation Destillation Teilkondensation Kristallisation Trocknung (außer Konvektionstrocknung) Vakuumsublimation Abb Übersicht über die thermischen Trennverfahren. Einteilungsprinzip: L _ ] Einfache Phasenumwandlungen <-> Fraktionierungen l l Zur Gemischtrennung Hilfsstoff als Zusatzstoff notwendig <-> nicht notwendig Phasenführung im Gegenstrom (Gegenstrom-Prinzip) Die stoff- und wärmeaustauschenden Phasen werden im Gegenstrom durch den Trennapparat geführt. Dabei kommt es darauf an, diese Phasen an Einbauten des Trennapparats zu zerteilen und intensiv zu vermischen, damit zwischen ihnen für den gewünschten Stoffaustausch eine möglichst große Austauschfläche (Phasengrenzfläche) zur Verfügung steht und möglichst große Stoffübergangskoeffizienten erzielt werden. Abb. 1-5 zeigt eine Trennkolonne" mit in Serie geschalteten Stufen, in de-

24 4 l Grundlagen Tab Übersicht über die Trennverfahren. Gruppe der Trennverfahren Treibende Kraft des Trennvorgangs Beschaffenheit des zu trennenden Gemischs Trennverfahren Mechanische Trennverfahren Membran- Trennverfahren Schwerkraft Zentrifugalkraft Druckkraft Druckkraft Elektrische Feldkraft Konzentrationsgefälle heterogen heterogen homogen Elektrische Elektrische Feldkraft heterogen Trennverfahren Magnetische Magnetische Feldkraft homogen Trennverfahren Thermische Konzentrationsgefälle homogen Trennverfahren Temperaturgefälle Sortieren (s-s) Schwertrübetrennen (s-1) Flotieren (s-l-g) Sedimentieren (s-1) Filtrieren (s-1) Abpressen (s-1) Zentrifugieren (s-1) Hydrozyklontrennen (s-1) Klassieren Sieben (s-s) Windsichten (s-g) Stromklassieren (s-1) Ultrafiltration (s-1) Umkehrosmose (Hyperfiltration) (s-1) Dialyse (s-1) Elektrodialyse (s-1) Elektrophorese (s-1) Permeation (1-1, g-g) Gasdiffusion (g-g) Elektroosmose (s-1) Elektrisches Entstauben (s-g) Magnetsortieren (s-s) Destillation (1-1) Teilkondensation (g-g) Absorption (g-g), (H) Adsorption (g-g, s-1), (H) Chromatographie (g-g, 1-1), Extraktion (s-s, 1-1), (H) Sublimation (g-g) Kristallisation (s-1,1-1) Trocknung (s-1) Thermodiffusion (g-g, 1-1) Abkürzungen: s Feststoff, l Flüssigkeit, g Gas zur Kennzeichnung des Aggregatzustands der Komponenten des zu trennenden Gemischs, (H) thermisches Trennverfahren mit Hilfsstoff. nen die Bezugskomponente i des Gemischs aus der schweren Phase in die leichte Phase wandern soll. Beide Phasen können dabei alle Komponenten des Gemischs enthalten. Eine Betrachtung von Stufe n zeigt, daß die schwere Phase mit dem Stoffmengenanteil x n in Berührung mit der leichten Phase mit dem Stoffmengenanteil y n _i kommt. Sind x n und y n _i keine Phasengleichgewichtskonzentrationen, stehen die der Stufe n zuströmenden Phasen also nicht im Phasengleichgewicht, so können in dieser Stufe Stoff- und Wärmetransportvorgänge ablaufen. Die Bezugskomponente / reichert sich voraussetzungsgemäß

25 l. l Übersicht über die thermischen Trennverfahren, Prinzipien 5 Tab Kennzeichnung der thermischen Trennverfahren durch die am Stoff- und Wärmeaustausch beteiligten Phasen. Phase Phase Alle Kompo- Nicht alle Komponenten sind in beiden Phasen enthalten l 2 nenten sind in beiden Phasen Phase l rein Phase 2 rein Eine (mehrere) Kompoenthalten nente(n) ist (sind) in beiden Phasen enthalten Berührung g 1 nicht mischbarer Phasen Destillation Teilkondensation Eindampfen von Lösungen Gastrocknung Absorption Desorption durch Stripping g s Gegenstromsublimation - - Adsorption Trocknung Flüssig-Flüssig- - Extraktion Kristallisation aus der Schmelze Kristallisation aus Lösungen Fest-Flüssig-Extraktion (Auslaugen) Adsorption Berührung mischbarer Phasen Thermodiffusion Thermodiffusion Abkürzungen: g Gasphase, l Flüssigphase, s Festphase. in der leichten Phase bis auf eine Endkonzentration y n an, während die schwere Phase an i von x n auf x n _i verarmt. Wirkt nun Stufe n als theoretische Stufe, so stehen die sie verlassenden Phasen im Pha- sengleichgewicht; ein weiterer Stoff- und Wärmeaustausch ist insgesamt zwischen ihnen nicht mehr möglich. y n und x n _i sind dann Phasengleichgewichtskonzentrationen. Die schwere Phase mit ;c n _i gelangt in Stufe n-1 und tritt dort mit der leichten Phase mit y n _ 2 in Austausch, wobei sich Entsprechendes wie in Stufe n abspielt. Das besprochene Beispiel zeigt folgendes: Bei der Gegenstromführung der Phasen kön- /n-2 Abb. l-5.gegenstromführung zweier Phasen in einem Trennapparat. «-1, n hintereinander geschaltete Stufen, LP auf strömende leichte Phase, SP abströmende schwere Phase, x Stoffmengenanteil der Bezugskomponente in der schweren Phase, y Stoff mengenanteil der Bezugskomponente in der leichten Phase.

26 l Grundlagen nen einzelne Stufen in ein- und demselben Trennapparat hintereinander (in Serie) geschaltet werden. Die leichte Phase, die eine Stufe verläßt, wird der nächstfolgenden, die die Stufe verlassende schwere Phase wird der vorgeordneten Stufe zugeführt. Eine theoretische Stufe ist jener Teil eines Trennapparats, in dem ein Stoff- und Wärmeaustausch zwischen zunächst nicht im Gleichgewicht befindlichen Phasen so stattfindet, daß die ihn verlassenden Phasen im Phasengleichgewicht (s. Abschn. 1.4) stehen. In einer praktischen Stufe ist meist eine Gleichgewichtseinstellung nicht zu erreichen. Ihre Trenn Wirksamkeit läßt sich mit jener der theoretischen Stufe durch einen Stufenaustauschgrad (Austauschverhältnis, Verstärkungsverhältnis, Murphree efficiency) E vergleichen (Abb. 1-5): E = E = Trennwirkung der praktischen Stufe Trennwirkung der theoretischen Stufe y n -y n -i (1-1) Es bedeuten: y n * - y n -i theoretisch mögliche Anreicherung mit der Bezugskomponente in der leichten Phase (y n * Phasengleichgewichtskonzentration zu x n _i), y n -y n -i tatsächlich erfolgte Anreicherung mit der Bezugskomponente in der leichten Phase. Dabei muß oftmals ein lokales Austauschverhältnis von einem Gesamtaustauschverhältnis unterschieden werden, je nachdem ob y nur punktweise oder über den Gesamtquerschnitt der Trennkolonne gilt. Phasenführung im Kreuzstrom (Kreuz- oder Querstrom-Prinzip) Die stoff- und wärmeaustauschenden Phasen werden im Kreuz- oder Querstrom durch den Trennapparat geführt, d.h. ihre Phasenströme schließen einen Winkel von 90 ein. Je nach Gleichgewichtslage und dem Verhältnis der Phasenströme lassen sich in einzelnen Trennstufen im allgemeinen nur bescheidene Trennwirkungen erzielen. Soll eine Gemischzerlegung zu den fast reinen Komponenten führen, so müssen daher mehrere Trennstufen in Serie geschaltet werden. Dies geschieht am wirkungsvollsten mit Phasengegenstrom. Phasenkreuzstrom und Parallelzuführung einer Phase zu den einzelnen Trennstufen sind manchmal auch angezeigt, der Phasengleichstrom spielt dagegen kaum eine Rolle. Prinzip des Zeitbedarfs Der Zeitbedarf für eine Gemischtrennung ist für den diskontinuierlichen Betrieb durch die effektive Verweilzeit, für den kontinuierlichen Betrieb durch die mittlere Verweilzeit t m des Gemischs im Trennapparat festlegbar: Hierin bedeuten: V vom Gemisch erfülltes Volumen des Trennapparats (bestimmt über Apparatevolumen und Füllungsgrad), V Effektivvolumenstrom des Gemischs. Man unterscheidet je nach Zeitbedarf Kurz-, Mittel- und Langzeittrennverfahren: Kur zzeittrennv erfahren (t m < 30 s). Beispiele: Zerstäubungstrocknung, Gasadsorption, Fällungskristallisation. Mittelzeitverfahren (30 s < t m < 2 h). Beispiele: Absorption, Rektifikation, Walzentrocknung, Stromtrocknung, Sublimation, Ex-

27 1.2 Betrieb s formen thermischer Trennverfahren traktion, Kristallisation, Flüssigkeitsadsorption. Langzeitverfahren (l h < t m < l d). Beispiele: Trommeltrocknung, Vakuumtaumeltrocknung, Gefriertrocknung, klassierende Kristallisation. Prinzip der Energiezufuhr Bei der thermischen Trennung von Gemischen ist dem Trennapparat Energie zuzuführen, und zwar in Form von Wärme, im allgemeinen zum Erhöhen der fühlbaren Wärme der strömenden Massen sowie zum Aufbringen der eventuell erforderlichen latenten Wärmen; Strömungsenergie zum Überwinden der Druckverluste in den Trennapparaten und den verbindenden Rohrsystemen mit entsprechenden Rohrteilen; Antriebsarbeit für zum Beispiel Dispergier-, Pulsier-, Rühr- und Umpumpeinrichtungen; Arbeit zum Betreiben von peripheren Arbeitsmaschinen wie Verdichtern und Vakuumpumpen. 1.2 Betriebsformen thermischer Trennverfahren Apparate zur thermischen Trennung von Gemischen können diskontinuierlich (absatzweise, im Chargenbetrieb, im Satzbetrieb) und kontinuierlich (stetig, stationär) betrieben werden. Im folgenden sollen die beiden Betriebsformen kurz erläutert und ihre Vor- und Nachteile in Tab. 1-3 zusammengestellt werden. Kontinuierlicher Betrieb: Beim kontinuierlichen Betrieb wird das zu trennende Gemisch stetig in die Trennvorrichtung eingebracht, um dort stetig in zwei oder mehr Fraktionen zerlegt zu werden, die stetig die Trennvorrichtung verlassen. Im kontinuierlichen Betrieb kann ein ideales Zweistoffgemisch in einer Trennkolonne mit Phasengegenstrom in die beiden nahezu reinen Komponenten zerlegt werden. Zur Trennung eines entsprechenden Gemischs mit k Komponenten werden k - l in Serie geschaltete Kolonnen benötigt. Tab Vergleich der Betriebsformen kontinuierlich und diskontinuierlich bei der Lösung des gleichen Trennproblems. Vergleichskriterien Betriebsform Mathematische Beschreibung des Trennvorgangs, Modellierung Investitionskosten der Trennanlage Betriebskosten der Trennanlage Bedienbarkeit der Trennanlage Automatisierung des Trennprozesses Beanspruchung der Anlagenteile Umweltbelastung, Unfallgefahr Betriebssicherheit, Flexibilität bei Ausfall von Teilen der Trennanlage, Sicherheitspuffer Flexibilität bei Umstellung auf andere zu zerlegende Gemische kontinuierlich einfacher geringer geringer einfacher mit geringerem Aufwand möglich geringer geringer diskontinuierlich höher besser

28 l Grundlagen Diskontinuierlicher Betrieb: Beim diskontinuierlichen Betrieb wird das zu trennende Gemisch in der Trennvorrichtung vorgelegt und über eine bestimmte Chargenzeit" definierten Trennbedingungen unterworfen, wobei im allgemeinen zwei Fraktionen unterschiedlicher Zusammensetzung entstehen. Eine Fraktion wird meist stetig der Trennvorrichtung entnommen, während die andere als Rest in ihr verbleibt und erst nach Ablauf der Chargenzeit aus ihr entfernt wird. Der diskontinuierliche Betrieb gestattet - einstufig ausgeführt - eine nur unvollständige Gemischzerlegung. Die vorgenannten Fraktionen werden deshalb meist in Folgestufen separat weiterbehandelt (Fall der mehrstufigen diskontinuierlichen Trennung). Umschalt- Wechselbetrieb : Folgt in einem Trennapparat auf einen Beladevorgang (Gemischzerlegung) ein Entladevorgang (Regenerieren des Trennhilfsstoffs), so müssen mindestens zwei Trennapparate im Ums ehalt-wechsel betrieben werden, wenn eine stetige Gemischzerlegung gewährleistet werden soll. Bei der Adsorption aus der Gasphase (s. Kap. 4) nimmt z. B. festes Adsorbens in einem Behälteradsorber aus einem Gasgemisch Adsorptiv bis zur Beladegrenze auf. Ist diese erreicht, so muß der Adsorber aus dem Beladezyklus herausgenommen und ein zweiter Adsorber zugeschaltet werden. Das Adsorbens im beladenen Adsorber wird durch Dämpfen, Trocknen und Rückkühlen regeneriert und kann nach Abschluß dieses Regenerierzyklus erneut in den Beladezyklus eintreten. 1.3 Stoffbilanz, Energiebilanz, Exergiebilanz Die verfahrenstechnische Auslegung von Trennanlagen beginnt im allgemeinen mit einer Bilanzierung der einzelnen Apparate und Teilanlagen bezüglich Stoffströmen und Energien, gekoppelt mit der schematischen Darstellung des Verfahrensablaufs in Form von Fließbildern Stoff-, Energie- und Wärmebilanz Die Bilanzierung verfahrenstechnischer Systeme erfolgt nach dem in Abb. 1-6 vereinfacht dargestellten Ablauf Schema. Von den dort genannten Bilanzgrößen interessieren im Anlagenbau besonders Masse, Energie - meist in der speziellen Form von Wärme -, Enthalpie und Exergie zur Planung und Bewertung von Systemen und zu deren Analyse und Synthese. Die Erhaltungssätze für Gesamtmasse, Gesamtenergie und Gesamtimpuls liefern dabei die Basis zur Erstellung der jeweiligen Bilanzgleichungen [1.1 bis 1.5, 1.145]. Sie lauten allgemein für ein offenes System: Summe der in das System eintretenden Mengen (Transport) Summe der im System durch Umwandlung gebildeten Mengen (Umwandlung) Summe der aus dem System austretenden Mengen (Transport) Zunahme der im System gespeicherten Mengen (Akkumulation) Je nach Aufgabenstellung und Zweck sind integrale und differentielle Bilanzgleichungen zu erstellen: differentielle, wenn es darum geht, Vorgänge in einem differentiellen Volumen- oder Phasengrenzflächenelement zu untersuchen, und integrale zur Ermittlung der in das System ein- und austretenden Ströme. Differentielle Bilanzgleichungen führen nach Lösung des entsprechenden Differentialgleichungssystems mit Randbedingungen zu Geschwindigkeits-, Konzentrations- bzw. Tempe-

29 1.3 Stoffbilanz, Energiebilanz, Exergiebilanz Festlegung des Bilanzraums zur Abgrenzung des zu bilanzierenden Systems gegen seine Umgebung durch eine tatsächlich vorhandene oder gedachte Bilanzhülle (Anlagenkomplex, Anlage, Teilanlage, Einzelapparat, Apparateteil, Volumenelement) Festlegung der Bilanzgröße als zu bilanzierende meß- bzw. bewertbare Systemeigenschaft (Masse als Gesamtmasse, Komponentenmasse, Atommasse; Zustandsgrößen wie Enthalpie, Entropie; Impuls; Kosten) Prozeßbeschreibung Fließbilder Aufstellung der Bilanzgleichungen mit dem Ziel, quantitativ ausgeglichene zusammengefaßte Gegenüberstellungen der interessierenden Bilanzgrößen zu gewinnen Lösung der Bilanzgleichungen Umweltschutz-, Arbeitsschutzund Sicherheitsanforderungen Dimensionierung Anordnungsplanung Festlegung der meß- und regeltechnischen Einrichtungen Vorkalkulation und Wirtschaftlichkeitsrechnung Abb Bilanzierung verfahrenstechnischer Systeme (vereinfachter schematischer Ablauf) [1.1]. raturprofilen im System oder dessen Grenzflächen; integrale Bilanzgleichungen liefern die Basis für eine stoffliche und energetische System-Gesamtbewertung. Die Ergebnisse integraler Bilanzierungen werden häufig tabellarisch oder in Flußdiagrammen verdeutlicht (Produkt- und Energieschema, Mengen- und Wärmestrombild usw.). Stoffbilanz An Stoffbilanzen (Massen-, Mengen-, Materialbilanzen) sind die allgemeine oder Brutto- Stoffbilanz für die Gesamtmassen oder Gesamtmengen und die Bilanzen für einzelne Gemischkomponenten zu unterscheiden (Abb. 1-7). Mit den Bezeichnungen der Abb.

30 10 l Grundlagen 'l.*.«a«br -BH n.a> w n.k.a> h n.a Abb Bilanzierungsschema zur Ableitung der Bilanzgleichungen. BH Bilanzhülle, BR Bilanzraum. 1-7 für das dort gekennzeichnete offene System folgt aus der allgemeinen Bilanzgleichung die integrale Gesamtmassenbilanz m Q = ra s (1-3) Betrachtet man den stationären Betrieb (kontinuierliche Stoffzu- und -abfuhr ohne Berücksichtigung von An- und Abfahrvorgängen), so entfallen die Akkumulationsglieder m Q und m s. Für die Einzelstoffbilanz der Komponente k gilt (1-4) In den Gl. 1-3 und 1-4 und in Abb. 1-7 bedeuten: *hi, a > ihi, w wi, k, a 3 w if k> oj zu ~ bzw. abströmender Massenstrom /, Massenanteil der Komponente k im Zu- bzw. Abstrom i, m Q, m s, m Q)fc, m s,^ Intensität der im Bilanzraum vorhandenen Quellen bzw. Senken insgesamt und bezüglich Komponente k. m Q> k und ms, berücksichtigen z.b. die Teilnahme von k an chemischen Reaktionen. Wird k beispielsweise als Edukt in / Einzelreaktionen, die simultan im Bilanzraum ablaufen, verbraucht, so ist im Falle stationären Betriebs mit = = V-M k (1-5) als der Äquivalent-Reaktionsgeschwindigkeit der Reaktion /, mit V als dem von der Reaktionsmasse erfüllten Teil des Bilanzraumes und Vj t k als der stöchiometrischen Verhältniszahl von k in Reaktion j. Für den Ansatz der Stoffbilanzgleichungen ist es häufig zweckmäßig, statt Massen und V ^