Verfahrenstechnik. 1 x 1 der Verfahrenstechnik. Ähnlichkeitstheorie und Scale-up. Maßstabsvergrößerung verfahrenstechnischer Apparate und Maschinen

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1 Verfahrenstechnik Seminar 1 x 1 der Verfahrenstechnik Grundlagen und ausgewählte Anwendungen aus der Praxis Termin/Ort April 2018 in Essen September 2018 in Timmendorfer Strand Leitung Prof. Dr.-Ing. Matthias Kraume, Fachgebiet Verfahrenstechnik an der Technischen Universität Berlin Seminar Ähnlichkeitstheorie und Scale-up Maßstabsvergrößerung verfahrenstechnischer Apparate und Maschinen Termin/Ort Mai 2018 in Essen Leitung Prof. Dr.-Ing. Thomas Rieckmann, Prozess- und Produktentwicklung, Institut für Anlagen und Verfahrenstechnik, TH Köln FB050/35860N

2 1 x 1 der Verfahrenstechnik Grundlagen und ausgewählte Anwendungen aus der Praxis Zielsetzung Die Grundlagen der Verfahrenstechnik ergeben sich aus dem Zusammenspiel des Wissens aus Disziplinen wie Fluiddynamik, Thermodynamik, physikalische Chemie etc. und der Umsetzung dieser Kenntnisse im Rahmen technischer Prozesse. Aufbauend auf der Darstellung wesentlicher theoretischer Grundlagen werden deren Anwendungen in ausgewählten technischen Apparaten bzw. Prozessen vermittelt. So werden z. B. Rohrströmungen, Wärmeaustauscher, Partikelbewegung, Rührbehälter, Feststoffschüttungen, Filtration, Membranverfahren, Trennkolonnen und Blasensäulen behandelt. Das Seminar richtet sich vornehmlich an Ingenieure sowie Techniker, technische Chemiker, Physiker und Biotechnologen, die sich mit verfahrenstechnischen Prozessen befassen und ihr Grundlagenwissen festigen bzw. erweitern wollen. Hierzu werden verfahrenstechnische Denkweisen und Methoden exemplarisch vermittelt. Die Vorträge beinhalten angeleitete Übungen, in denen die Teilnehmer selbstständig typische Berechnungen zur Anwendung und Vertiefung des vermittelten Wissens durchführen. Hinweis: Für die Bearbeitung der Übungsaufgaben werden Rechner mit Excel benötigt. Programm 1. Tag 09:00 Vorstellungsrunde und Konzept des Seminars 09:45 Kaffeepause 10:00 Technische Thermodynamik Grundbegriffe (Energie, Zustandsgrößen und gleichungen) - 1. Hauptsatz Prof. Dr. Matthias Kraume 11:20 Kaffeepause 11:35 Chemische Thermodynamik - Thermodynamische Eigenschaften von Reinstoffen und Gemischen - Reaktionssysteme 13:00 gemeinsames Mittagessen 14:00 Energie- und Massenbilanzen - Bilanzgleichungen - Mechanismen der Transportvorgänge - Stoffgrößen

3 15:45 Kaffeepause 16:00 Fluiddynamik I - Grundgleichungen (u.a. Kontinuitäts- und Bernoulli- Gleichung) - Rheologie 2. Tag 09:00 Fluiddynamik II - Laminare und turbulente Strömungen - Druckverlust in Rohrleitungen 10:15 Kaffeepause 10:30 Dimensionsanalyse - Grundbegriffe (Einheiten, Dimensionen, dimensionslose Kennzahlen) - Dimensionsanalyse 11:30 Kaffeepause 11:45 Maßstabsübertragung - Modelltheorie - Praxis der Maßstabsübertragung 12:30 gemeinsames Mittagessen 13:30 Grundlagen des Wärme- und Stofftransports I - Wärmeübergang und durchgang am Beispiel Rohre 14:30 Kaffeepause 14:45 Grundlagen des Wärme- und Stofftransports II - Wärmeaustauscher - Stoffübergang und durchgang 15:45 Kaffeepause 16:00 Partikuläre Systeme I - Charakterisierung - Partikelbewegung 3. Tag 09:00 Partikuläre Systeme II - Stoffübergang 10:00 Kaffeepause

4 10:15 Mischtechnik I - Mischgüte - Technische Rührsysteme 11:15 Kaffeepause 11:30 Mischtechnik II - Rühraufgaben und Maßstabsübertragung - Statische Mischer 12:45 gemeinsames Mittagessen 13:45 Mechanische Grundoperationen - Feststoffschüttungen - Filtration und Membranverfahren 15:15 Kaffeepause 15:30 Verfahrenstechnische Apparate - Boden- und Packungskolonnen - Blasensäulen 16:45 Abschlussdiskussion Leitung Prof. Dr.-Ing. Matthias Kraume, Fachgebiet Verfahrenstechnik an der Technischen Universität Berlin Uhrzeiten , 09:00 Uhr , 17:00 Uhr Essen, Haus der Technik Hinweise Bei der Veranstaltung wird folgendes Buch mit ausgegeben: Matthias Kraume, Transportvorgänge in der Verfahrenstechnik Grundlagen und apparative Umsetzungen ISBN: (Springer Verlag) Termin/Teilnahmegebühr/Ort HDT-Mitglieder: 1590,00 Nichtmitglieder: 1690,00 mehrwertsteuerfrei, einschließlich veranstaltungsgebundener Arbeitsunterlagen sowie Mittagessen und Pausengetränken Kurztitel: 1 x 1 Verfahrenstechnik Veranst.-Nr.: N-H Essen, Haus der Technik Veranst.-Nr.: N-H Timmendorfer Strand, Maritim Seehotel

5 Ähnlichkeitstheorie und Scale-up Maßstabsvergrößerung verfahrenstechnischer Apparate und Maschinen Zielsetzung Ziel des Seminars ist die Vermittlung der Kompetenz zur Nutzung ähnlichkeitstheoretischer Beziehungen bei der Maßstabsvergrößerung verfahrenstechnischer Apparate und Maschinen. Basis der Maßstabsvergrößerung bzw. der Skalierung sind die aus der Ähnlichkeitstheorie abgeleiteten Proportionalitäten und Abhängigkeiten. Die Seminarteilnehmer erstellen eine Relevanzliste und entwickeln die entsprechenden dimensionslosen Kennzahlen. Sie wenden ähnlichkeitstheoretische Gleichungen bei der Maßstabsvergrößerung an und nutzen die aus den Kennzahlen und Gleichungen abgeleiteten Proportionalitäten. Sie kennen die Stärken und Schwächen der Maßstabsvergrößerung auf Basis ähnlichkeitstheoretischer Ansätze. Teilnehmerkreis Maschinenbauer, Verfahrenstechniker, Chemieingenieure und Technische Chemiker aus allen Bereichen der Industrie, die sich mit der Auslegung verfahrenstechnischer Apparate und Maßstabsvergrößerung beschäftigen. Inhalt Kontext Prozessentwicklung und Maßstabsvergrößerung Lesenswerte Literatur Grundlagen der Ähnlichkeitstheorie, Buckingham-PI Theorem - Ist das Physik? Ursprünge der Ähnlichkeitstheorie, Druckverlust im Strömungsund Windkanal Erstellen der Relevanzliste - Welche physikalischen Phänomene sind relevant? Qualität der Relevanzliste - Sind bestimmte Einflüsse nicht relevant oder wurden Einflüsse vergessen? Dimensionsanalyse des Gehens - Froude-Zahl, Reynolds-Zahl Entwicklung dimensionsloser Kennzahlen - Lösung linearer Gleichungssysteme, intuitive Methode, Konzept der Kernvariablen Druckverlust in Rohrleitungen - Euler-Zahl Instationäre Wärmeübertragung, Garzeit eines Bratens - Fourier- Zahl Wärmeübergang im durchströmten Rohr - Nußelt-Zahl, Prandtl- Zahl

6 Wärmeübergang beim Blasensieden - Nußelt-Zahl und 5 unbenannte Kennzahlen Wärmeübergang im Rührwerksbehälter - Skalierung mit Proportonalitäten Stoffübergang an der Phasengrenze Gas/Flüssigkeit - Sherwood-Zahl, Schmidt- Zahl Benetzte volumenbezogene Oberfläche von Füllkörpern und Gas Hold-up in Blasensäulen Mischzeit und Rührerleistung - Newton-Zahl Flüssig-Flüssig-Emulsionen Ähnlichkeitstheorie in der Reaktionstechnik, Herleitung dimensionsloser Kennzahlen aus Bilanzgleichungen - Damköhler-Zahlen, Lewis-Zahl, adiabate Temperaturerhöhung Entwicklung dimensionsloser Kennzahlen - Lösung linearer Gleichungssysteme, lineare Algebra Festbettreaktoren - partielle Ähnlichkeit Absorption von Gasen in Flüssigkeiten - Thiele-Modul und Verstärkungsfaktor E Zerkleinerung von Partikeln Agglomeration Dimensionierung eines Zyklons - geometrische Ähnlichkeit Konzept der geometrischen Ähnlichkeit bei der Maßstabsvergrößerung - job und worker. Geometrische Ähnlichkeit als Ursache für das Scheitern einer Maßstabsvergrößerung Sensitivitätsanalyse mit Hilfe einer Monte-Carlo-Methode Typische Fehler bei der ähnlichkeitstheoretischen Analyse und Nutzung dimensionsloser Kennzahlen Zum Thema Trotz aller Anstrengungen, die Auslegung verfahrenstechnischer Apparate und Maschinen durch modulbasierte Konzepte zu systematisieren, sind die meisten Anlagen nach wie vor Unikate. Selbst, wenn ein Verfahren schon mehrfach mit verschiedenen Kapazitäten erfolgreich realisiert wurde, wird die nächste Anlage mit einer anderen Kapazität, an einem anderen Standort, mit anderen Rohstoffen sowie in einem anderen Energie- und Stoffverbund betrieben werden. Damit sind viele Apparate einer Anlage Unikate, die spezifisch dimensioniert und in der Regel im Maßstab skaliert werden müssen. Die Maßstabsvergrößerung der Apparate und Maschinen ist z.b. wegen der Abhängigkeit der spezifischen Oberflächen vom Apparatevolumen bzw. Durchmesser nicht trivial. Eine Maßstabsvergrößerung ist wegen der Komplexität des Wärme- und Stofftransports in der realen industriellen Praxis häufig nicht auf Basis rigoroser physiko-chemischer Modelle und der daraus abgeleiteten Bilanzgleichungen realisierbar.

7 Hier kann die Ähnlichkeitstheorie bzw. Dimensionsanalyse einen wichtigen Beitrag leisten. Die aus der Dimensionsanalyse abgeleiteten Kennzahlen (Eu, Re, Pr, Ne, Sh, Sc,...) und die daraus abgeleiteten Funktionen sind von der Geometrie (z.b. hydraulischer Durchmesser), von den Prozessparametern (z.b. Strömungsgeschwindgkeit) und von den Stoffwerten (z.b. Dichte, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Diffusionskoeffizienz, Oberflächenspannung) unabhängig. An Modellapparaten und mit Hilfe von Modellsubstanzen ermittelte Beziehungen sind im Rahmen der experimentellen Gültigkeitsbereiche beliebig skalierbar. Die für die Maßstabsvergrößerung wertvollste Information ist jedoch die Kenntnis der die Parameter sowie die dimensionslosen Kenngrößen verbindenden Proportionalitäten. Liegt das Vertrauensintervall einer ähnlichkeitstheoretischen Funktion, z.b. zur Berechnung eines Wärmübergangskoeffizienten, typischerweise im Bereich %, sind die Proportionalitäten der in diesen Funktionen verbundenen Kennzahlen durch eine große Anzahl experimenteller Befunde gesichert. Ein Beispiel ist die Proportionalität Nu Re0,67 für den Wärmeübergang in Rührwerksbehältern. Damit können die aus Messungen an Miniplants, Pilotanlagen und Anlagen anderer Kapazitäten gewonnenen Parameter verlässlich und mit großer Genauigkeit skaliert werden. Leitung Prof. Dr.-Ing. Thomas Rieckmann, Prozess- und Produktentwicklung, Institut für Anlagen und Verfahrenstechnik, TH Köln Uhrzeiten , 09:00 Uhr 17:00 Uhr , 09:00 Uhr 16:30 Uhr Essen, Haus der Technik Hinweise Die Seminarteilnehmer werden gebeten, ein Notebook mit Excel und einen Taschenrechner mitzubringen Jeder Teilnehmer erhält einen USB-Stick mit den Seminarunterlagen sowie den Excel-Dokumenten der vorgestellten Beispiele. Die Anzahl der Seminarteilnehmer ist auf 12 Personen begrenzt. Termin/Teilnahmegebühr/Ort HDT-Mitglieder: 1295,00 Nichtmitglieder: 1450,00 mehrwertsteuerfrei, einschließlich veranstaltungsgebundener Arbeitsunterlagen sowie Mittagessen und Pausengetränken Kurztitel: Ähnlichkeitstheorie und Maßstabsvergrößerung Veranst.-Nr.: N-H Essen, Haus der Technik

8 Anmeldung per Fax: / Veranstaltung Veranst.-Nr.: am: Ort: Teiln.-Geb.: Mitglied Nichtmitglied Veranstaltungsteilnehmer Hr./Fr./Name, Vorname: Titel/Geb.datum, -ort: Funktion: Tel.: Abt.: Fax: Rechnungsanschrift Ihre Bestell-Nr.: Lieferanten-Nr. HDT: Firma: Abteilung: zu Händen: Straße/Postfach: PLZ/Ort: Ich zahle per Rechnung per Kreditkarte Mastercard Visacard Karteninhaber: Karten-Nr.: gültig bis: Datum Unterschrift Aufgrund des Datenschutzgesetzes weisen wir Sie daraufhin, dass Ihre Angaben gespeichert werden, um Sie über Veranstaltungen des Hauses der Technik zu informieren. Die Anmeldebestätigung, Anfahrtsbeschreibung und Hotelauswahl erhalten Sie rechtzeitig vor Veranstaltungsbeginn.

9 Anmeldung und Veranstaltungsservice Anmeldung und Veranstaltungsservice Veranstaltungen finden Sie unter bzw. Veranstaltungen finden Sie unter bzw. Anmeldung online Bei online-buchung finden Sie vorausgefüllte Anmeldung online Bei Formulare, online-buchung Hotel- und finden DB-Ticket-Buchungsmöglichkeit sind Sie vorausgefüllte Formulare, Hotelin den und Anmeldevorgang DB-Ticket-Buchungsmöglichkeit integriert. Anmeldung sind in den Anmeldevorgang integriert. Anmeldung / / Allgemeines -269 Allgemeines / / Anmeldeformular Anmeldeformular Anmeldung per Post Haus der Technik e. V., Essen Anmeldung per Post Haus der Technik e. V., Essen Umbuchung, Rechnungsänderung / Umbuchung, Rechnungsänderung / Hotelbuchung Kostenloser Hotelbuchungsservice für alle Veranstaltungsorte, Hotelbuchung Kostenloser Hotelbuchungsservice unter: für alle Veranstaltungsorte, unter: oder / oder / DB-Ticket-Buchung DB-Ticket-Reservierung 2. Klasse bundesweit DB-Ticket-Buchung DB-Ticket-Reservierung zum Sonderpreis von , Klasse unter: bundesweit zum Sonderpreis von oder 139 unter: oder zu Ihren digitalen zu Arbeitsunterlagen Ihren digitalen / Arbeitsunterlagen / zur Adresskorrektur zur Adresskorrektur / / Fachliche Fragen beantworten Ihnen gern Fachliche Ihre Fragen Fragen beantworten Ihnen gern Dipl.-Ing. Bernd Hömberg Dipl.-Ing. Bernd Kai Brommann Hömberg / / / AGB AGB finden Sie unter finden Sie unter Wir erwarten Sie in Wir erwarten Sie in Essen Haus der Technik Essen Haus der Technik Hollestr. 1 Hollestr Essen Essen Timmendorfer Berlin Strand Maritim Haus der Seehotel TechnikTimmendorfer Strand Berlin Haus Seydelstr. der Technik Strandallee1573 Seydelstr Berlin Timmendorfer Strand Berlin

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