Inhalt

Teil I Grundlagen und Methoden 1

Grundlagen der Transportprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Molekulare Transportvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Molekularer Impulstransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Molekularer Energietransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 Molekularer Stofftransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Konvektive Transportvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Konvektiver Impulstransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Konvektiver Energietransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Konvektiver Stofftransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Konvektiver Energie- und Stoffübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Turbulente Transportvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Umwandlungsvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1 Stoffumwandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.2 Energieumwandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.3 Impulsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Bilanzgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.1 Differenzielle Bilanzgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.2 Integrale Bilanzgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Molekulare Transportkoeffizienten und Stoffgrößen . . . . . . . . . . . . . . 1.7.1 Viskosität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.2 Wärmeleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.3 Diffusionskoeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 5 7 8 12 12 13 14 14 18 20 20 24 25 25 26 32 37 38 44 45 48 48 52

2

Diffusion in ruhenden Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Stationäre Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Diffusion ohne chemische Reaktion in einer ebenen Schicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55 55 56

IX

X

Inhalt

2.1.2 Diffusion mit homogener chemischer Reaktion . . . . . . . . . . . 2.1.3 Diffusion mit heterogener chemischer Reaktion . . . . . . . . . . . 2.2 Instationäre Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Instationäre Diffusion ohne chemische Reaktion in einer Platte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Instationäre Diffusion in einer Kugel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57 63 65

Stoffaustausch zwischen zwei fluiden Phasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Stoffübergangstheorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Filmtheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Grenzschichttheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Penetrations- und Oberflächenerneuerungstheorie . . . . . . . . . 3.1.4 Turbulenztheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Stoffdurchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Stoffaustausch mit homogener chemischer Reaktion . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Penetrationstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Filmtheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Generelle Auswirkungen einer homogenen Reaktion erster Ordnung auf den Stofftransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79 80 80 83 86 88 90 94 94 98 100 101 101 104

4

Beschreibung von Ausgleichsvorgängen in technischen Systemen . . . . 4.1 Idealisierte Modellapparate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Idealer Rührkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Ideales Strömungsrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Reale Apparate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Mischvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Kontinuierlich betriebene reale Apparate . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Verweilzeitverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Experimentelle Bestimmung einer Verweilzeitverteilung . . . . 4.3.2 Verweilzeitverteilung idealer Apparate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

107 107 108 110 110 110 114 117 120 121 127 127 130

5

Strömungen in Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Impulstransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Laminare Rohrströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Turbulente Rohrströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Strömungswiderstand in Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4 Strömungen durch Rohrleitungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . .

131 131 131 133 139 143

3

65 70 73 73 77

Inhalt

XI

5.2 Stoffübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Laminare Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Turbulente Rohrströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Stoffübergang mit heterogener chemischer Reaktion . . . . . . . . . . . . . 5.4 Strömungen nicht-Newtonscher Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1 Geschwindigkeitsprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2 Widerstandsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Dispersion in Rohrströmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

146 146 151 152 154 154 156 158 160 160 164

6

Strömungen an ebenen Platten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Impulstransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Laminare Grenzschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Turbulente Grenzschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3 Widerstandsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Stoffübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Laminare Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Turbulente Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Fluiddynamik und Stofftransport bei hohem Partialdruck . . . . . . . . . . 6.3.1 Physikalische Problematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Geschwindigkeitsprofil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.3 Konzentrationsprofil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.4 Reibungsbeiwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.5 Mittlere Sherwoodzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Stoffübergang mit heterogener chemischer Reaktion . . . . . . . . . . . . . 6.5 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

165 165 167 171 172 173 173 179 180 180 182 183 185 186 187 191 192 194

7

Disperse Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Stationäre Partikelbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1 Feste Einzelpartikel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2 Fluide Partikeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Instationäre Partikelbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Bewegung von Partikelschwärmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.1 Feste Partikeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.2 Fluide Partikeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Stationärer Stoffübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.1 Feste Einzelkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.2 Fluide Partikeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 Instationärer Stofftransport bei festen und fluiden Partikeln . . . . . . . . 7.5.1 Mathematische Grundlagen und Definitionen . . . . . . . . . . . . . 7.5.2 Diffusiver Transport in einer Kugel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

195 196 196 204 211 213 213 217 218 219 225 231 231 235

XII

Inhalt

7.5.3 7.5.4 7.5.5

Stoffübergang bei schleichender Umströmung . . . . . . . . . . . . Spezielle Lösung für sehr kurze Zeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung der übergehenden Masse für sehr lange Zeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.6 Ergebnisse der numerischen Lösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Einphasig durchströmte Feststoffschüttungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 Kennzeichnende Größen einer Feststoffschüttung . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 Feststoffpartikeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2 Lückengrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.3 Hydraulischer Durchmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.4 Geschwindigkeitsverteilung innerhalb einer Feststoffschüttung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Wärme- und Stoffübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1 Wärmeübergang in Analogie zur Einzelkugel . . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Stoffübergang in Analogie zum durchströmten Rohr . . . . . . . 8.4 Modellierung von Austauschvorgängen in Festbetten . . . . . . . . . . . . . 8.4.1 Berechnung des Konzentrationsverlaufs . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.2 Dispersionskoeffizienten in Feststoffschüttungen . . . . . . . . . . 8.5 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

235 236 237 237 239 241 245 247 248 248 250 252 254 255 258 259 261 263 263 268 270 271 273

Teil II Mehrphasensysteme und apparative Anwendungen 9

Filtration und druckgetriebene Membranverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 Einteilung der Trennverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Prozessführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1 Kuchenfiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.2 Querstromfiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.3 Tiefenfiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Kennzeichnung des Trennerfolgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4 Filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.1 Grundlegende Theorie der Filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.2 Kuchenfiltration von Suspensionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.3 Staubabscheidung durch Filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5 Druckgetriebene Membranverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.1 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.2 Grundlegende Theorie zu Membranverfahren . . . . . . . . . . . . . 9.5.3 Mikro- und Ultrafiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.4 Nanofiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

277 277 279 279 280 281 283 286 286 288 296 299 300 302 306 307

Inhalt

XIII

9.5.5 Umkehrosmose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.6 Apparative Umsetzung der Membranfiltration . . . . . . . . . . . . . 9.6 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

308 310 310 313 316

10 Trocknung fester Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 Grundbegriffe der thermischen Trocknung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Eigenschaften feuchter Güter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1 Arten der Feuchtigkeitsbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.2 Bewegung der Feuchtigkeit im Gut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Eigenschaften des feuchten Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4 Darstellung der einstufigen Trocknung im Mollier-Diagramm . . . . . . 10.4.1 Beharrungstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.2 Kühlgrenztemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.3 Einstufiger Trockner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5 Wärmeübertragung an das feuchte Gut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.1 Konvektionstrocknung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.2 Kontakttrocknung (konduktive Trocknung) . . . . . . . . . . . . . . . 10.6 Kinetik der Trocknung, Trocknungsverlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6.1 I. Trocknungsabschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6.2 II. Trocknungsabschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7 Bauarten von Trocknern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7.1 Konvektionstrockner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7.2 Kontakttrockner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7.3 Strahlungstrockner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.8 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

319 320 321 321 323 325 328 328 330 332 334 335 335 335 338 340 344 345 348 350 351 351 355

11 Strömung von Flüssigkeitsfilmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Fluiddynamik von Rieselfilmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Wärmeübertragung zwischen Wand und Flüssigkeit . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Stoffübertragung zwischen Rieselfilm und Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.1 Laminare Rieselfilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.2 Filme mit welliger Oberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.3 Gasseitiger Stoffübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4 Stofftransport mit homogener chemischer Reaktion . . . . . . . . . . . . . . 11.4.1 Reaktion 1. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.2 Reaktion 2. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5 Technische Anwendungen von Rieselfilmapparaten . . . . . . . . . . . . . . 11.6 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

357 358 361 364 364 370 371 373 375 377 380 382 382 385

XIV

Inhalt

12 Bodenkolonnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1 Thermodynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.1 Stoffbilanz um eine Rektifizierkolonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.2 Stoffbilanz um eine Absorptions- oder Desorptionskolonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Konstruktive Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Belastungsbereich und Belastungskennfeld von Kolonnenböden . . . . 12.3.1 Maximale Gasbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.2 Minimale Gasbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.3 Maximale Flüssigkeitsbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.4 Minimale Flüssigkeitsbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.5 Belastungskennfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4 Zweiphasenströmung in Bodenkolonnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5 Druckverlust des Gases am Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6 Phasengrenzfläche in der Zweiphasenschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7 Stoffübergang in der Zweiphasenschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.8 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

387 387 388 392 394 396 399 400 402 402 403 404 405 407 409 414 415 416

13 Packungskolonnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1 Aufbau und Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 Fluiddynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.1 Flüssigkeitsinhalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.2 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3 Belastungsgrenzen, Belastungskennfeld, Arbeitsbereich . . . . . . . . . . . 13.4 Stoffübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.5 Axiale Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.6 Auswahlkriterien für Kolonneneinbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.7 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

419 420 424 425 430 435 439 443 444 444 445 447

14 Förderung von Fluiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1 Einteilung und Anwendungsfelder von Förderorganen . . . . . . . . . . . . 14.2 Bauformen von Strömungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3 Energieumsetzung im Laufrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.1 Impulssatz und Eulersche Hauptgleichung . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.2 Kanalwirbel und Kraftübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.3 Energiebilanz und Druckerhöhung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4 Kennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4.1 Theoretische Konstruktion einer Drosselkurve . . . . . . . . . . . . 14.4.2 Stabile und instabile Kennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4.3 Kennfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4.4 Kennlinie einer Kolbenpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

449 450 452 456 456 459 460 462 463 467 469 470

Inhalt

14.5

XV

Betriebspunkte von Kreiselpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.5.1 Anlagenkennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.5.2 Regelung von Strömungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.5.3 Verschaltungen mehrerer Kreiselpumpen . . . . . . . . . . . . . . 14.6 Kavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.7 Ähnlichkeitsgesetze und dimensionslose Kennzahlen . . . . . . . . . . . 14.7.1 Ähnlichkeitsbeziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.7.2 Dimensionslose Kennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.8 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

471 471 472 474 475 477 477 478 480 480 481

15 Wirbelschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1 Erscheinungsformen von Wirbelschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2 Fluiddynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.1 Druckverlustcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.2 Lockerungsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.3 Expansion von Fließbetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.4 Feststoffverhalten bei der Fluidisierung mit einem Gasstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.5 Betriebszustände in Wirbelschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3 Gasblasen in Wirbelschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4 Feststoffmischung in Wirbelschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.5 Gasphasenvermischung in Wirbelschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6 Stoffübergang zwischen Fluid und Partikeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.7 Modellierung von Wirbelschichtreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.8 Technische Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.8.1 Acrylnitrilsynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.8.2 Verbrennung von Kohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.9 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.10 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

483 483 485 485 486 488 489 491 492 495 498 498 499 500 500 501 502 502 504

16 Feststofftransport in Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1 Physikalische Grundlagen des Feststofftransports . . . . . . . . . . . . . . 16.2 Pneumatische Förderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.1 Einteilung der pneumatischen Förderung . . . . . . . . . . . . . . 16.2.2 Bestimmung des Druckverlustes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.3 Luftexpansion entlang des Förderwegs . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.4 Fördergeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3 Technische Fördersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4 Hydraulische Förderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.6 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

505 505 507 508 511 521 521 525 526 528 529 531

XVI

Inhalt

17 Gas/Flüssigkeits-Strömungen in Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1 Strömungs- und Phasenverteilungszustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1.1 Strömungen in vertikalen Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1.2 Strömungen in horizontalen Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2 Grundlegende Beziehungen und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3 Bestimmung der Strömungsform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3.1 Strömungsformen in horizontalen Rohren . . . . . . . . . . . . . . . 17.3.2 Strömungsformen in vertikalen Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3.3 Schlupf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4 Berechnungsverfahren für Gas/Flüssigkeits-Strömungen . . . . . . . . . 17.4.1 Homogenes Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4.2 Heterogenes Modell (Schlupfmodell) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.6 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

533 533 534 535 536 538 539 541 543 543 544 548 551 552 553

18 Mischen und Rühren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1 Definitionen und Einteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2 Rühren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.1 Technische Rührsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.2 Impulstransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.3 Leistungscharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.4 Rühren von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . 18.2.5 Wärmetransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.6 Homogenisieren in Rührbehältern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.7 Suspendieren von Feststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.8 Begasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.9 Dispergieren von Flüssig/flüssig-Systemen . . . . . . . . . . . . . . 18.3 Statische Mischer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3.1 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3.2 Mischgüte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4 Mikromischer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4.1 Einteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4.2 Arbeitsbereiche von Mikromischern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.5 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.6 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

555 556 557 558 561 563 565 568 569 571 575 583 587 588 590 592 593 596 596 597 600

19 Blasensäulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1 Blasensäulen mit und ohne Einbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.1 Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.2 Fluiddynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.3 Blasengröße und -bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.4 Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.5 Gasgehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

603 605 605 607 609 611 612

Inhalt

19.1.6 Stofftransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.7 Wärmeübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2 Suspensionsblasensäulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3 Airlift-Schlaufenapparate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4 Abstromblasensäulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4.1 Bauarten und Einsatzgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4.2 Betriebsbedingungen und Gasgehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4.3 Stoffübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.5 Modellgleichungen zur Beschreibung von Blasensäulenreaktoren . . 19.6 Anwendungsbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.7 Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XVII

614 617 619 620 622 623 624 626 626 630 630 631 634

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637

http://www.springer.com/978-3-642-25148-1