Thermische Trennverfahren

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1 Klaus Sattler Thermische Trennverfahren Grundlagen, Auslegung, Apparate VCH

2 Inhalt Häufig verwendete Formelzeichen XIII 1 Grundlagen Übersicht über die thermischen Trennverfahren, Prinzipien 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 68

3 VIII Inhalt 1.7 Grundzüge des Stofftransports Stofftransport durch molekulare Diffusion Stationäre Diffusion Instationäre Diffusion Difrusionskoeffizient 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 97 2 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 und Molekulardestillation Gegenstromdestillation (Rektifikation) Verfahrensvarianten der Rektifikation Kontinuierlich betriebene Rektifikation in Rektifizierkolonnen mit Verstärkungsteil und Abtriebsteil Reine Abtriebskolonne 121

4 Inhalt IX Reine Verstärkungskolonne Trägerdampfrektifikation Kombination verschiedener Varianten Rektifikation mit Hilfsstoff Heteroazeotroprektifikation Zweidruckverfahren Diffusionsdestillation Rektifikation bei Überdruck-, Tieftemperatur- und Vakuumbetrieb Kontinuierliche adiabate Rektifikation Mengenströme Wärmebedarf der Kolonne Maßnahmen zur Energieeinsparung Festlegung von Trennstufenzahl, wärme- und stoffaustauschender Kolonnenhöhe MindestrücklaufVerhältnis, wirtschaftlich optimales Rücklaufverhältnis Zulaufstufe Diskontinuierliche adiabate Rektifikation Kopfproduktmenge Wärmebedarf Blasendurchmesser, freie Dampfraumhöhe, 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 Teilkondensation Absorption Erläuterung der Begriffe Absorption und Desorption, Verfahrensweise, Verfahrensbeispiele Begriffserläuterung und Verfahrensweise Verfahrensbeispiele Anforderungen an das Wasch- bzw. Lösungsmittel, Lösungsmittelbedarf Enthalpie- bzw. Wärmebilanz 249

5 X Inhalt 3.4 Absorption im Phasengleichstrom Absorption im Phasengegenstrom, Auslegung von Gegenstromkolonnen Festlegung des Kolonnenquerschnitts Festlegung von Stufenzahl bzw. 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, Feuchtewanderung Eigenschaften des feuchten Gases, h, X-Diagramm Wärme- und Stoffübergang bei der Konvektionstrocknung Kinetik der Trocknung, Trocknungsverlauf, Trocknungsdauer Konvektionstrocknung Trockengas- und Wärmebedarf bei der Konvektionstrocknung Maßnahmen zur Energieeinsparung Varianten der Konvektionstrocknung Kontakttrocknung 353

6 Inhalt XI 5.8 Strahlungstrocknung Hochfrequenztrocknung Gefriertrocknung 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, 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 Mehrstufige Gegenstromextraktion J 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) 470

7 XII Inhalt 1 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 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 537 Literaturverzeichnis 541 Register 543