Alter Ablauf Wintersemester 2008/09:
Blockfließbild eines Stoffwandlungsverfahrens Bilanzgrenze Rohstoffe E I E I E I E I E I Rohstoffe (R) Hilfsstoffe (H) Speicher (R) Speicher (H) Rohstoffaufbereitung Stoffumwandlung Stofftrennung Produkt A Produkt B Abfall Speicher (A) Speicher (B) Speicher (Ab) Hauptprodukt Nebenprodukt Abfall Hilfsstoffaufbereitung Informationen (I) Energie (E) I E I E E I I E E I I I E I E I Speicher (Ab) Hilfsstoffversorgung H E I Recyclingverfahren (Wiederverwertung) Informationen Energie E I I E H I
Blockfließbild der Eisenerzaufbereitung und -verhüttung nach dem Rennverfahren - Vorharzgebiet, 1. Jahrhundert u. Z. 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 Anlegen von Ausheizherden S C H M I E D E N V E R S C H W E I S S E N 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
Hierarchie verfahrenstechnischer Prozesse Makroprozeß (im Prozeßraum eines Apparates) Zerkleinerung Mischen chemische Reaktion Prozeßgruppe: Trennung Trocknung Lagerung Apparate- & Maschinenebene Filme Teilprozeß (charakt. Teilraum des Prozeßraumes) Stoff-, Energie-, Impulstransport Partikelschwärme Partikelschichten Kontinuumsebene Mikroprozeß (kl. Substanzgebiet des Prozeßraumes) Stoff-, Energie-, Impulstransport ohne Übertragungsfläche variable Ü.-fläche prozeßbedingt vorgegebene Ü.- fläche variable Ü.-fläche außen aufgeprägt Partikelebene physikal-chem. Grundvorgang Diffusion (Zufallsbewegung) Konvektion (gerichtete Bewegung) De-/Agglomeration (Ab-/Aufbau von Wechselwirk.) molekulare Ebene Weiterentwickelt aus: H. Schubert, W. Fratscher und R. Kind, Zur Herausbildung einer einheitlichen Modellierungsstrategie in der Verfahrenstechnik, Chem. Technik 35 (1980) 335-342
Beispiel 1: Hierarchie verfahrenstechnischer Prozesse Makroprozeß Fällungskristallisation Fällungsreaktor Fluid A M Fluid B Prozeßziel: Herstellung von Partikeln mit definierten Produkteigenschaften Teilprozeß: Kristallisation bei lokaler Übersättigung im Rührbereich Konzentration der schwerlöslichen Komponente Keimwachstum Partikelsuspension Mikroprozeß: Übersättigung Wachstum Keimbildung Sättigungskonzentration c* Reaktionszeit a) diffusionslimitiert b) einbaulimitiert Diffusionsgrenzschicht s Kristall c i c* Adsorptionsgrenzschicht c Volumenphase l Keimwachstum an der Partikeloberfläche Keimbildung s Kristall c* c i Adsorptionsgrenzschicht c Volumenphase l physikalisch-chemische Grundvorgänge: Bildung/Zerfall von Molekülaggregaten oder Clustern Diffusion Aggregation Konvektion Desintegration
Beispiel 2: Modellhierarchie der Mechanik einer Partikelpackung 1. Kontinuumsmodell, V= yx v S,x y v y x x Werkzeuge: + Masse-, + Kräfte-, + Momenten-, + Impuls-, + Energiebilanzen für Freiheitsgrade dertranslation u. Rotation xy v S,y x v x y y x xy yx x + xy + y x xy y z x y + y yx + yx 2. Partikelwechselwirkungsmodell, da=d xy yx y 10 000 Partikel x + d x Kontaktmodelle (Mikro-Regelkreise) elastisches Kraft- Verformungs-Gesetz viskose Dämpfung plastische Dämpfung (Reibungsgesetz) x y y* z* xy + d xy x* x y + d y yx + d yx 3. Molekül-Wechselwirkungsmodell e - U 0 Potential U F Kraft F U F max U B d A a 0 a Fmax Paar-Wechselwirkungspotential + Abstoßung Atomkernabstand a F = - du da - Anziehung Paar-Wechselwirkungspotential Grundlegende Stoffeigenschaften: - Wechselwirkungsenergien, - Potentialkräfte, - Elastizität, - Bindungsfestigkeit, - Geschwindigkeitsabhängigkeit, - Elektromagnetische, thermische und mechanische Wellenausbreitungseigenschaften, - Phasenumwandlungsenthalpien etc.
Lagerung in Behältern - Mechanisches Verhalten von Feststoff, Flüssigkeit, Gas und Schüttgut a) Stückgut b) Flüssigkeit c) Gas d) Schüttgut mit Vorgeschichte Kalman, H., Particle Technology in the Chemical Industry, Verfahrenstechnisches Kolloquium, Magdeburg 2002